KR101527458B1 - 자연 에너지 인출 장치 및 이를 포함하고 피구동 기구는 발전기인 수류 발전 장치 - Google Patents

자연 에너지 인출 장치 및 이를 포함하고 피구동 기구는 발전기인 수류 발전 장치 Download PDF

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Abstract

[과제] 하천류나 조류의 깊이 방향의 운동 에너지 인출 영역이 넓고, 교각 등의 기존의 수류 위쪽의 고정 구조물에 간편하게 장착되는 자연 에너지 인출 장치를 제공한다.
[해결 수단] 부체; 부체에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차; 부체의 상단에 결합되고 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치; 및 일단이 동력 전달 장치를 수평 축선 주위에 축 지지하는 동시에, 타단이 수류 위쪽의 고정 구조물에 의해 수평 축선 주위에 축 지지된 암 부재를 포함하고, 부체와 세로 회전축 수차가 하천류나 조류 중에 설치된다.

Description

자연 에너지 인출 장치 {NATURAL ENERGY EXTRACTION DEVICE}
본 발명은 자연 에너지 인출 장치에 관한 것이다.
부체(浮體, floating body)를 형성하는 가로 회전축 수차(水車)와, 가로 회전축 수차의 회전축의 일단(一端)에 결합되는 증속 기어(speed increasing gear) 발전기 조립체와, 가로 회전축 수차의 회전축의 타단(他端)에 결합되는 증속 기어 발전기 조립체와, 일단이 상기 한 쌍의 증속 기어 발전기 조립체의 케이싱에 고정되고 타단이 수류 위쪽의 고정 구조물에 의해 수평 축선 주위에 축 지지된 한 쌍의 암 부재(arm member)를 구비하고, 가로 회전축 수차가 하천 수면에 떠 있는 것을 특징으로 하는 수류(水流) 발전 장치가 특허문헌 1에 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 제2007-040217호
특허문헌 1의 수류 발전 장치에는, 하천류(河川流)의 표층의 운동 에너지는 인출할 수 있지만, 중층이나 저층의 운동 에너지를 인출할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 가로 회전축 수차의 양단에 결합되는 한 쌍의 증속 기어 발전기 조립체의 케이싱과 수류 위쪽의 고정 구조물을 연결하는 한 쌍의 암 부재의 간격이 넓기 때문에, 교각 등의 수류 위쪽의 고정 구조물에 장착하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 하천류(河川流)나 조류(潮流)의 깊이 방향의 운동 에너지 인출 영역이 넓고, 교각 등의 수류 위쪽의 고정 구조물에 간편하게 장착되는 자연 에너지 인출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 부체; 부체에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차; 부체의 상단에 결합되고 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크(torque)로 변환하는 동력 전달 장치; 및 일단이 동력 전달 장치를 수평 축선 주위에 축 지지하는 동시에, 타단이 수류 위쪽의 고정 구조물에 의해 수평 축선 주위에 축 지지된 암 부재를 포함하고, 부체와 세로 회전축 수차가 하천류나 조류 중에 설치되는 것을 특징으로 하는 자연 에너지 인출 장치를 제공한다.
본 발명의 자연 에너지 인출 장치에 있어서는, 세로 회전축 수차를 사용하여 하천류나 조류의 운동 에너지를 인출하므로, 수류의 표층뿐만 아니라 중층이나 저층의 에너지도 인출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 자연 에너지 인출 장치는 하천류나 조류의 깊이 방향의 운동 에너지 인출 영역이 넓다. 또한, 세로 회전축 수차의 상단에 동력 전달 장치가 결합되므로, 동력 전달 장치를 수류 위쪽의 고정 구조물에 연결하는 한 쌍의 암 부재의 간격은, 가로 설치 수차의 양단에 결합되는 증속 기어 발전기 조립체의 케이싱을 수류 위쪽의 고정 구조물에 연결하는 한 쌍의 암 부재의 간격에 비해 좁다. 따라서, 본 발명의 자연 에너지 인출 장치는 교각 등의 수류 위쪽의 고정 구조물에 간편하게 장착할 수 있다.
본 발명의 바람직한 태양(態樣)에 있어서는, 자연 에너지 인출 장치는 세로 회전축 수차의 세로 회전축 하단부에 고정되거나, 또는 세로 회전축 하단으로부터 매달린 추를 구비한다.
세로 회전축 수차의 세로 회전축 하단부에 추를 고정하거나 또는 세로 회전축 하단으로부터 추를 매닮으로써, 수류에 의한 세로 회전축 수차의 과대한 경사를 억제하고, 상기 과대한 경사에 의한 수류의 운동 에너지 인출 효율의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 수차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암(arm)을 포함하고, 날개형 단면(斷面)의 커버가 암에 고정되어 있다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 수차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 암에 장착되어 있고, 상기 커버의 전체가 암의 길이 축선 주위로 회전 가능하거나, 또는 상기 커버의 트레일링 에지(trailing edge, 뒤 가장자리)부가 암의 길이 축선에 평행한 축선 주위로 회전 가능하다.
세로 회전축 수차가 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하는 경우, 암의 유체 저항을 감소시키기 위하여, 암에 날개형 단면의 커버를 장착하는 것이 바람직하다.
커버의 가로세로비(aspect ratio)가 큰 경우, 유도 저항이 작고 양항비(揚抗比, lift-drag ratio)가 커므로, 커버를 암에 고정하고, 커버에 발생하는 양력을 세로 회전축 수차의 토크에 기여하게 하는 것이 바람직하다. 커버의 가로세로비가 작은 경우에는, 유도 저항이 크고 양항비가 작으므로, 커버를 회전 가능하게 하거나, 또는 커버의 트레일링 에지부를 회전 가능하게 하여 커버에 의한 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생을 억제하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 자연 에너지 인출 장치를 포함하고, 피구동 기구는 발전기인 것을 특징으로 하는 수류 발전 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 수류 발전 장치는, 하천류나 조류의 깊이 방향의 운동 에너지 인출 영역이 넓고, 교각 등의 수류 위쪽의 고정 구조물에 간편하게 장착할 수 있다.
도 1은 수류 발전 장치로서 구현된 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 사시도이다.
도 2는 수류 발전 장치로서 구현된 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치가 구비하는 암과, 암에 장착한 날개형 단면의 커버의 부분 구조도이다. (a)는 사시도이며, (b)는 단면도이다.
도 3은 수류 발전 장치로서 구현된 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치가 구비하는 암과, 암에 장착한 날개형 단면의 커버의 단면도이다.
수류 발전 장치로서 구현된 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치를 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 수류 발전 장치(A)는, 원통형의 부체(1)와, 부체(1)의 하단에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차(2)와, 부체(1)의 상단에 결합되는 도시하지 않은 증속 기어와, 증속 기어에 의해 회전 구동되는 발전기를 가지는 증속 기어 발전기 조립체(3)와, 일단이 증속 기어 발전기 조립체(3)의 케이싱(3a)을 수평 축선(X) 주위에 축 지지하는 동시에, 타단이 수류 위쪽의 고정 구조물(B)에 의해 수평 축선(X)과 평행하게 연장되는 수평 축선(Y) 주위에 축 지지된 한 쌍의 암 부재(4)를 구비하고 있다.
세로 회전축 수차(2)의 세로 회전축(2a) 하단으로부터 추(5)가 매달려 있다.
부체(1)와 세로 회전축 수차(2)는 하천류나 조류 중에 설치되어 있다.
부체(1)의 부력에 의해 수류 발전 장치(A)는 수류 중에 떠있고, 증속 기어 발전기 조립체(3)는 수면보다 위쪽에 있다.
수류 발전 장치(A)에 있어서는, 수류 중에 설치된 세로 회전축 수차(2)가 회전하고, 세로 회전축 수차(2)의 상단에 고정된 부체(1)가 회전하고, 암 부재(4)를 통하여 고정 구조물(B)에 의해 지지되는 동시에 부체(1)에 결합되는 증속 기어 발전기 조립체(3)의 발전기가 발전한다.
도 1에서 실선으로 나타낸 바와 같이, 수류에 의해 부세(付勢)된 세로 회전축 수차(2)가, 수평 축선(X) 주위에 요동하여 하류 쪽으로 경사지므로, 세로 회전축 수차(2)에는 수류에 의한 과대한 수평력은 인가되지 않는다. 그 결과, 암 부재(4)와 증속 기어 발전기 조립체(3)의 케이싱(3a)과의 결합부나, 암 부재(4)와 고정 구조물(B)과의 결합부의 손상이 방지된다.
세로 회전축 수차(2)의 세로 회전축(2a) 하단으로부터 매달린 추(5)에 의해 복원 모멘트가 발생하고, 수류에 의한 세로 회전축 수차(2)의 과대한 경사가 억제되어, 과대한 경사에 의한 발전 효율의 저하가 억제된다. 세로 회전축(2a)의 하단으로부터 추(5)를 매다는 것에 대신하여, 세로 회전축(2a)의 하단부에 추(5)를 고정시켜도 된다.
수위의 변동은, 암 부재(4)가 수평 축선(Y) 주위에 요동함으로써 흡수되므로, 수위 변동이 있어도, 부체(1)와 세로 회전축 수차(2)는 수류 중에 계속 있을 수가 있다.
하천의 하구 부근이나 해협 등에 수류 발전 장치(A)가 설치된 경우, 조수의 간만에 의해 수류 방향이 역전하지만, 도 1에 일점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 증속 기어 발전기 조립체(3)의 케이싱(3a)이 수평 축선(X) 주위로 회전하고, 상기 케이싱(3a)에 종동(從動)하여 세로 회전축 수차(2)가 수평 축선(X) 주위에 요동하여 하류 쪽으로 경사지므로, 세로 회전축 수차(2)에는 수류에 의한 과대한 수평력은 인가되지 않는다. 그 결과, 암 부재(4)와 증속 기어 발전기 조립체(3)의 케이싱(3a)과의 결합부나, 암 부재(4)와 고정 구조물(B)과의 결합부의 손상이 방지된다.
수류 발전 장치(A)에 있어서는, 세로 회전축 수차(2)를 사용하여 하천류나 조류의 운동 에너지를 인출하므로, 수류의 표층뿐만 아니라 중층이나 저층의 에너지도 인출할 수 있다. 따라서, 수류 발전 장치(A)는, 하천류나 조류의 깊이 방향의 운동 에너지 인출 영역이 넓다. 증속 기어 발전기 조립체(3)는 수면보다 위쪽에 있으므로, 발전기 수용 공간이 침수할 우려는 없다. 또한, 수류 발전 장치(A)에 있어서는, 세로 회전축 수차(2)의 상단에 고정된 부체(1)의 상단에 증속 기어 발전기 조립체(3)가 결합되어 있으므로, 증속 기어 발전기 조립체(3)의 케이싱(3a)을 수류 위쪽의 고정 구조물(B)에 연결하는 한 쌍의 암 부재(4)의 간격은, 가로 회전축 수차의 양단에 결합되는 증속 기어 발전기 조립체의 케이싱을 수류 위쪽의 고정 구조물에 연결하는 한 쌍의 암 부재의 간격에 비해 좁다. 따라서, 수류 발전 장치(A)는 교각 등의 수류 위쪽의 고정 구조물(B)에 간편하게 장착할 수 있다.
수류 발전 장치(A)에 있어서, 도 1에 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 세로 회전축 수차(2)의 세로 회전축(2a)으로부터 직경 방향으로 연장되는 세로 회전축 수차(2)의 날개인 장척(長尺)의 날개(2b)에 연결되어 날개(2b)를 지지하는 암(2c)이 설치되어 있는 경우에는, 암(2c)의 유체 저항을 감소시키기 위하여, 암(2c)에 날개형 단면의 커버를 장착하는 것이 바람직하다.
도 1로부터 알 수 있듯이, 수류 발전 장치(A)의 가동 시에 세로 회전축 수차(2)는 하류 쪽으로 경사지므로, 도 2 (a)에 나타낸 바와 같이, 암(2c)에 장착한 날개형 단면의 커버(6)는 상대 수류에 대하여 영각(迎角)을 가져, 양력을 발생시키는 동시에 날개 단부에 유도 저항도 발생시킨다. 따라서, 양력과 유도 저항이 세로 회전축 수차(2)의 토크에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다.
도 2 (b)에 나타낸 바와 같이, 양력은 커버(6)의 리딩 에지(leading edge, 앞 가장자리) 방향으로 경사지므로 세로 회전축 수차(2)의 토크에 기여한다. 커버(6)의 가로세로비를 크게 하면, 유도 저항이 작아지고 양항비가 커지므로, 암(2c)에 고정된 커버(6)는 세로 회전축 수차(2)의 토크 발생에 기여한다.
커버(6)의 가로세로비가 작은 경우에는, 유도 저항이 커지고 양항비가 작아지므로, 커버(6)는 세로 회전축 수차(2)의 토크 발생에 대한 저항이 된다. 이 경우에는, 도 3 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 커버(6)를 암(2c)의 길이 축선 주위로 회전 가능하게 하고, 커버(6)가 상대 수류에 대하여 영각을 가지지 않도록 하여, 커버(6)에 의한 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생을 억제하는 것이 바람직하다. 그리고, 커버(6)의 리딩 에지 내부 또는 리딩 에지 외부에, 균형추(7)를 설치할 필요가 있다.
커버(6)의 가로세로비가 작은 경우에, 도 3 (c), (d)에 나타낸 바와 같이, 현의 길이 방향 중앙부가 암(2c)에 고정된 커버(6)의 트레일링 에지부(6a)를 암(2c)의 길이 축선과 평행하게 연장되는 축선 주위로 회전 가능하게 하고, 트레일링 에지부(6a)가 상대 수류에 대하여 영각을 가지지 않고, 트레일링 에지부(6a)에서의 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생이 억제되도록 하여, 커버(6)에 발생하는 유도 저항을 감소시켜도 된다. 그리고, 커버 트레일링 에지부(6a)의 리딩 에지부에, 균형추(8)를 설치할 필요가 있다.
상기 실시예에서는, 부체(1)의 회전 운동 에너지를 증속 기어 발전기 조립체(3)의 발전기의 구동 토크로 변환하여, 최종적으로 전기 에너지로서 인출하였으나, 부체(1)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하지 않고, 펌프, 압축기 등의 구동 토크로 직접 변환하여도 되고, 또는 별도의 플라이휠(flywheel) 등의 에너지 저장 장치의 구동 토크로 직접 변환하여도 된다.
본 발명에서 사용하는 세로 회전축 수차는, 특정 형식의 것에 한정되지 않는다. 다리우스형(Darrieus type), 자이로밀형(Gyromill type), 사보니우스형(Savonius type), 크로스 플로우형(cross flow type) 등, 다양한 형식의 것을 사용 가능하다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 발명은 교각 등의 수류 위쪽의 고정 구조물에 장착하여 사용하는 소형의 수류 발전 장치 등의 자연 에너지 인출 장치에 널리 이용 가능하다.
A: 수류 발전 장치
B: 고정 구조물
X, Y: 수평 축선
1: 부체
2: 세로 회전축 수차
2a: 세로 회전축
2b: 날개
2c: 암
3: 증속 기어 발전기 조립체
3a: 케이싱
4: 암 부재
5: 추
6: 커버
7, 8: 균형추

Claims (5)

  1. 부체;
    상기 부체에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차;
    상기 부체의 상단에 결합되고 상기 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치; 및
    일단이 상기 동력 전달 장치를 수평 축선 주위에 축 지지하는 동시에, 타단이 수류 위쪽의 고정 구조물에 의해 수평 축선 주위에 축 지지된 암 부재
    를 포함하고,
    상기 부체와 상기 세로 회전축 수차가 하천류나 조류 중에 설치되고,
    상기 세로 회전축 수차의 회전축의 축선과 상기 축선에 교차하는 유선(流線)이 형성하는 평면에 직교하는 방향에서 볼 때, 상기 축선과 상기 유선이 이루는 각도가 유속에 따라 가변하는, 자연 에너지 인출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세로 회전축 수차의 세로 회전축 하단부에 고정되거나, 또는 상기 세로 회전축 하단으로부터 매달린 추를 포함하는 자연 에너지 인출 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세로 회전축 수차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 상기 암에 장착되어 있고,
    상기 커버의 전체가 상기 암의 길이 축선 주위로 회전 가능하거나, 또는 상기 커버의 트레일링 에지부가 상기 암의 길이 축선에 평행한 축선 주위로 회전 가능한, 자연 에너지 인출 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 자연 에너지 인출 장치를 포함하고, 피구동 기구는 발전기인, 수류 발전 장치.
  5. 삭제
KR1020137029870A 2011-07-05 2012-07-02 자연 에너지 인출 장치 및 이를 포함하고 피구동 기구는 발전기인 수류 발전 장치 KR101527458B1 (ko)

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