KR101566972B1 - 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치 - Google Patents

이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치 Download PDF

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백성호
안지웅
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Abstract

본 발명은 이온 폴리머 금속 복합체가 해수에 노출되는 것을 방지하고 발전 성능 및 내구성을 향상시키기 위한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이러한 목적 달성을 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 해상에 부유하도록 부력을 가지며 내부에는 수용 공간이 형성되어 일정량의 담수가 채워지는 외부 부유체와; 상기 외부 부유체 내부의 담수에 일부분 또는 전체가 잠긴 상태로 부유하도록 수용되는 내부 부유체와; 상기 내부 부유체에 집적되며 상기 담수의 유동 상태에 따라 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체와; 상기 이온 폴리머 금속 복합체에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부; 및 상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치{MARINE FLOATING-TYPE GENERATOR OF DOUBLE FLOATING-BODY STRUCTURE BY USING ION POLYMER METAL COMPOSITE}
본 발명은 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해양환경에서의 발전을 위한 이온 폴리머 금속 복합체(IPMC;Ionic Polymeric Metal Composite)가 직접적으로 해수와 접촉하는 것을 막아 장치의 내구성을 향상시키는 이중 부유체 구조의 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.
한편, 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.
이에, 본 출원인에 의해 대한민국 등록특허 제10-1433309호 '이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치'가 제안된 바 있다.
도1은 종래기술에 따른 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치를 도시하는 사시도이다.
종래기술에 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 정류부와, 상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부를 포함한다.
상기와 같은 종래의 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치는, 해상환경에 취약한 복잡한 기계부품을 대신하여 친수성의 이온 폴리머 금속 복합체를 단일의 부유체에 집적시킬 수 있으므로 유지 보수가 용이하고 단위면적당 전력생산 효율을 향상시킬 수 있다.
그러나, 상기한 종래기술은, 도2에 예시된 바와 같이, 이온 폴리머 금속 복합체가 해수 속에서 장시간 노출될 경우 굴, 따개비, 말미잘 등의 해양생물이 달라붙어 서식하게 되므로 발전 성능의 저하 및 장치의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
특히, 이온 폴리머 금속 복합체는 두께 1mm 이하의 얇은 막이 형성되어 있어 표면에 부착된 해양생물을 제거하게 되면 상기 이온 폴리머 금속 복합체가 손상될 가능성이 크기 때문에 해양생물을 제거하여 재사용하는 것도 불가능한 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, 이온 폴리머 금속 복합체가 해수에 노출되는 것을 방지하고 발전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 해상에 부유하도록 부력을 가지며 내부에는 수용 공간이 형성되어 일정량의 담수가 채워지는 외부 부유체와; 상기 외부 부유체 내부의 담수에 일부분 또는 전체가 잠긴 상태로 부유하도록 수용되는 내부 부유체와; 상기 내부 부유체에 집적되며 상기 담수의 유동 상태에 따라 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체와; 상기 이온 폴리머 금속 복합체에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부; 및 상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 외부 부유체는 하방으로 부피가 점차적으로 커지는 오뚝이 형상으로 이루어져 무게 중심이 하부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 담수는 이온성 용액인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 외부 부유체와 상기 내부 부유체 사이에 연결 고정되는 고정부재를 더 포함하며, 상기 고정부재는 상기 내부 부유체의 유동 구간을 제한하여 상기 외부 부유체와 이격 배치시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 고정부재는 일정 탄성력을 가지는 케이블로 이루어져 상기 외부 부유체와 상기 내부 부유체 사이에 복수개가 연결 고정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 내부 부유체는 고리 모양으로 형성되며, 상기 이온 폴리머 금속 복합체는 일정 길이의 필름 형태로 형성되어 상기 내부 부유체의 둘레를 따라 복수개가 일정 간격을 두고 캔틸레버 형식으로 고정배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 내부 부유체는 복수개가 종방향으로 결합되어 기둥 형상의 모듈 집합체를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 내부 부유체는 중공관 형태의 내부실린더를 가지며, 상기 내부실린더의 내부에는 상기 복수개의 내부 부유체에서 생산된 전력을 직렬 방식 및 병렬 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 연결하는 전선이 수용되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 내부 부유체의 둘레 상에서 방사상으로 고정배치되어 일단부는 상기 부유체의 내부 공간으로 돌출되고 타단부은 상기 부유체의 외부로 돌출되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 내부 부유체의 둘레 상에서 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 이온 폴리머 금속 복합체가 해수에 노출되는 것을 원천 방지하여 발전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 외부 부유체에 수용된 담수(이온성 용액)에서 이온 폴리머 금속 복합체 내부의 이온 움직임을 활성화시켜 발전 성능을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도1은 종래기술에 따른 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치를 도시하는 사시도이고,
도2는 도1의 장치가 해양환경에서 장시간 노출되었을 경우의 상태를 설명하기 위한 예시도이고,
도3은 본 발명의 실시예에 따른 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치를 설명하기 위한 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 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치는, 도3에 도시된 바와 같이, 해상에 부유하도록 부력을 가지며 내부에는 수용 공간이 형성되어 일정량의 담수가 채워지는 외부 부유체(200)와, 상기 외부 부유체(200) 내부의 담수에 일부분 또는 전체가 잠긴 상태로 부유하도록 수용되는 내부 부유체(400)와, 상기 내부 부유체(400)에 집적되며 상기 담수의 유동 상태에 따라 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체(600)와, 상기 이온 폴리머 금속 복합체(600)에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부(미도시)와, 상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부(미도시)를 포함한다.
상기 외부 부유체(200)는 해상의 잔잔한 물결에서부터 강한 너울에 반응하여 끊임없이 움직이게 되며, 이와 연동하여 상기 외부 부유체(200)의 내부에 수용된 담수도 함께 유동한다.
이러한 외부 부유체(200)는 하방으로 부피가 점차적으로 커지는 오뚝이 형상으로 이루어져 무게 중심이 하부에 위치하게 되는데, 이는 상기 외부 부유체(200)가 잔물결에도 예민하게 반응하도록 하고 움직임 반경을 더욱 크게 하기 위함이다.
그리고 상기 외부 부유체(200)에 일정량 담겨지는 담수는 이온성 용액인 것이 바람직한데, 이러한 이온성 용액은 이온 폴리머 금속 복합체(600) 내부의 이온 움직임을 활성화시켜 발전 성능이 극대화될 수 있도록 한다.
여기서, 상기 내부 부유체(400)는 원형이나 사각형의 고리 모양으로 형성될 수 있으며, 이러한 내부 부유체(400)는 복수개가 종방향으로 결합되어 기둥 형상의 모듈 집합체를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 내부 부유체(400)는 중공관 형태의 내부실린더를 가질 수 있으며, 상기 내부실린더의 내부에는 상기 복수개의 내부 부유체에서 생산된 전력을 직렬 방식 및 병렬 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 연결하는 전선이 수용된다.
한편, 상기 내부 부유체(400)는 상기 외부 부유체(200)의 움직임과 담수의 유동에 반응하여 상기 외부 부유체(200) 내부에서 유동적일 있으나, 상기 내부 부유체(400)가 상기 외부 부유체(200)의 내벽과 충돌하여 파손되는 것을 방지하기 위해 상기 내부 부유체(400)의 움직임을 어느 정도 제한하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 내부 부유체(400)의 움직임을 제한하기 위해 상기 외부 부유체(200)와 상기 내부 부유체(400) 사이에 연결 고정되는 고정부재(300)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 고정부재(300)는 상기 내부 부유체(400)의 유동 구간을 제한하여 상기 외부 부유체(200)와 이격 배치될 수 있도록 한다.
여기서, 상기 고정부재(300)는 일정 탄성력을 가지는 케이블로 이루어져 상기 외부 부유체(200)와 상기 내부 부유체(400) 사이에 복수개가 연결 고정된다. 이러한 케이블은 서로 대향하는 방향에서 상기 내부 부유체(400)를 당겨 움직임을 제한한다. 그리고, 상기 케이블은 탄성 작용에 의해 상기 내부 부유체(400)를 제한된 범위 내에서 빈번하게 움직이게 하므로 이온 폴리머 금속 복합체(600)에 더 많은 운동에너지가 제공될 수 있도록 한다.
상기 이온 폴리머 금속 복합체(600)는 일정 길이의 필름 형태로 형성되어 상기 내부 부유체(400)의 둘레를 따라 복수개가 일정 간격을 두고 캔틸레버 형식으로 고정배치될 수 있다.
여기서, 상기 이온 폴리머 금속 복합체(600)는 상기 내부 부유체(400)의 둘레 상에서 방사상으로 고정배치되어 일단부는 상기 내부 부유체(400)의 내부 공간으로 돌출되고 타단부은 상기 내부 부유체(400)의 외부로 돌출될 수 있다. 이때, 상기 이온 폴리머 금속 복합체(600)는 상기 내부 부유체(400)의 둘레 상에서 병렬 연결된다. 이에 따라, 어느 하나 이상의 이온 폴리머 금속 복합체(600)가 소손되더라도 전류의 흐름이 끊어지지 않도록 하고 발전 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 이온 폴리머 금속 복합체(600)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(600)는 기존의 압전소자와는 달리 낮은 주파수 대역의 물리적 자극에도 전기에너지를 생산하는 특성이 있어서 끊임없이 너울이 발생하는 해상에 적합하다. 특히 상기한 이온 폴리머 금속 복합체(600)는 친수성 소재로서 물속에서도 전기에너지의 생산이 가능하기 때문에 해상 환경에 적합할 뿐만 아니라 유지 및 보수가 상당히 용이한 장점을 가진다.
즉, 압전소자의 경우 취성이 좋지 못하여 거친 해양환경 속에서 유연하게 에너지를 획득하는 기술분야에 적용하는데 제약이 많은 많다. 반면에 압전소자와는 달리 이온 폴리머 금속 복합체의 제조에 사용되는 내피온(Nafion) 막의 경우 친수성 소자로서 물을 흡수하는 성질이 있으며 내부에 물을 포함하고 있을 때 이온의 움직임이 활성화됨으로 외부 자극에 대응하여 더 큰 전기에너지를 생성할 수 있다.
한편, 압전소자의 경우 힘을 전달하기 위한 별도의 기구부가 구성되어 물과 차단된 상태에서 큰 힘이 가해져야만 전기에너지 생성이 가능하나, 이온 폴리머 금속 복합체의 경우 복잡한 기구부의 구성없이 전극과 소자 간의 단순한 연결만으로도 물속에서의 전기에너지 획득이 가능하다.
지금까지 설명한 본 발명에 의하면, 이온 폴리머 금속 복합체가 해수에 노출되는 것을 원천 방지하여 발전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 외부 부유체에 수용된 담수(이온성 용액)에서 이온 폴리머 금속 복합체 내부의 이온 움직임을 활성화시켜 발전 성능을 극대화할 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.
200: 외부 부유체
300: 고정부재
400: 내부 부유체
600: 이온 폴리머 금속 복합체

Claims (10)

  1. 해상에 부유하도록 부력을 가지며 내부에는 수용 공간이 형성되어 일정량의 담수가 채워지는 외부 부유체;
    상기 외부 부유체 내부의 담수에 일부분 또는 전체가 잠긴 상태로 부유하도록 수용되는 내부 부유체;
    상기 내부 부유체에 집적되며 상기 담수의 유동 상태에 따라 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체;
    상기 이온 폴리머 금속 복합체에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부; 및
    상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부;
    를 포함하되,
    상기 이온 폴리머 금속 복합체는 일정 길이의 필름 형태로 형성되어 상기 내부 부유체의 둘레를 따라 복수개가 일정 간격을 두고 캔틸레버 형식으로 고정배치되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 부유체는 하방으로 부피가 점차적으로 커지는 오뚝이 형상으로 이루어져 무게 중심이 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 담수는 이온성 용액인 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 부유체와 상기 내부 부유체 사이에 연결 고정되는 고정부재를 더 포함하며,
    상기 고정부재는 상기 내부 부유체의 유동 구간을 제한하여 상기 외부 부유체와 이격 배치시키는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고정부재는 일정 탄성력을 가지는 케이블로 이루어져 상기 외부 부유체와 상기 내부 부유체 사이에 복수개가 연결 고정되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내부 부유체는 복수개가 종방향으로 결합되어 기둥 형상의 모듈 집합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 내부 부유체는 중공관 형태의 내부실린더를 가지며,
    상기 내부실린더의 내부에는 상기 복수개의 내부 부유체에서 생산된 전력을 직렬 방식 및 병렬 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 연결하는 전선이 수용되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 내부 부유체의 둘레 상에서 방사상으로 고정배치되어 일단부는 상기 부유체의 내부 공간으로 돌출되고 타단부은 상기 부유체의 외부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 내부 부유체의 둘레 상에서 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치.
KR1020140126321A 2014-09-23 2014-09-23 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 이중 부유체 구조의 해상 부유식 발전장치 KR101566972B1 (ko)

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