KR101598459B1 - 터널 조류발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 터널 조류발전 장치는, 수차(10)와 상기 수차에 연결되는 발전장치(30)를 포함하여 이루어지는 발전부와, 전방과 후방으로부터 상기 수차(10)를 향하여 점차 축소되는 단면적을 갖는 조류 증속부(S)를 형성한 터널(T)을 포함한다. 이에 따라 본 발명은 터널로 유입된 조류의 유속이 약하더라도 조류 증속부(S)를 통해 유속을 증가시켜 발전 수차로 보내므로, 조류가 약해지는 시간에도 발전 효율이 저하하는 현상을 최소화할 수 있다.

Description

터널 조류발전 장치{TIDAL CURRENT POWER GENERATION SYSTEM IN TUNNEL}

본 발명은 조류를 이용해 발전을 하는 터널 조류발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바다로 돌출한 지형의 양측 바다에 발생하는 수위차를 이용한 조류발전을 효과적으로 수행할 수 있는 터널과 발전장치의 설치 구조에 관한 것이다.

산업의 발전에 따라 화석연료를 사용한 발전량이 증대하고, 이에 따라 지구 온난화와 같은 환경 문제가 발생하고 있다. 또한 화석연료 또한 한정된 매장량 때문에 언젠가를 이를 대체할 새로운 에너지원의 개발이 필요해지고 있다. 이를 해결할 방법으로 수력, 원자력, 태양열, 조력 등을 이용한 다양한 발전 방법이 제시되었고, 또 상용화가 이루어져 왔다.

우리나라는 조수간만의 차가 큰 해안을 보유하고 있어, 조력 발전에 유리한 지형학적 장점이 있다. 특히 다도해로 이루어진 서해안과 남해안은, 도 3에 도시된 지형과 유사한 돌출된 반도 지형과 이 반도 지형으로 둘러싸인 만(灣)이 발달해 있어, 이러한 반도 지형에 발전장치가 설치된 터널(T)을 이용하여 조류발전을 할 수 있는 가능성도 풍부하다.

이렇게 터널을 이용하여 조류 발전을 하는 기술은 한국공개특허 10-2013-0104713호와 한국공개특허 10-2014-0023133호 등에 개시되어 있다.

상기 한국공개특허 10-2013-0104713호에는, 양면이 바다에 접한 육지를 가운데 두고 수위차가 발생하는 양안을 관통하는 통수터널과, 상기 통수터널 길이를 따라 배열 설치되고 물 흐름에 마찰 회전력을 발생하는 하나 이상의 터빈과 발전기, 그리고 상기 통수터널 내부에 설치되고 통수되는 바닷물에 와류를 발생시키고 가속시키는 하나 이상의 와류터빈으로 구성하여, 터빈의 블레이드와 마찰된 바닷물은 마찰 후 산란되지 않고 관통터널을 따라 흐르게 되고 와류터빈과 순차 유입되는 바닷물에 의해 이동에너지가 복구되고, 다시 후방에 위치한 터빈 블레이드에 마찰하게 하는 기술이 개시되어 있다.

또한 한국공개특허 10-2014-0023133호에는, 반도 지형에서 양측 바다의 수위차가 생긴 곳을 최저 해수면까지 굴착하고, 이 굴착부에는 원활한 물의 흐름을 확보하기 위한 터널을 설치한 후, 터빈과 발전부를 터널의 양측부에 설치하여 전기를 생산하는 기술이 개시되어 있다.

한국공개특허 제10-2013-0104713호 한국공개특허 제10-2014-0023133호

상기 한국공개특허 제10-2013-0104713호 및 한국공개특허 제10-2014-0023133호에 개시된 조류 발전장치는, 터빈의 블레이드들이 수중에 수직으로 완전히 잠겨 회전하는 것이므로, 수중에 복잡한 고비용의 터빈장치를 설치해야 하므로 공사의 난이도가 높고, 부식의 위험이 있으며, 해조류나 기타 부유물에 의한 고장이 자주 발생하는 문제점이 있다.

또한 위에서 언급한 종래기술들은 물론이고, 통상의 종래 터널 조류 발전장치들은 조류의 유속이 충분할 때에는 발전이 원활하게 이루어지지만, 터널 양쪽 바다의 수위가 동일해 지는 시간대로 가면서 유속이 느려지는 경우에는 발전 효율이 급격히 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 터널에 설치되는 발전장치의 구조를 단순화하고, 조류의 유속이 느려지는 때에도 발전이 원활하게 이루어 질 수 있는 터널의 구조를 제공하려는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 터널 조류발전 장치는, 수차(10)와 상기 수차에 연결되는 발전장치(30)를 포함하여 이루어지는 발전부와, 전방과 후방으로부터 상기 수차(10)를 향하여 점차 축소되는 단면적을 갖는 조류 증속부(S)를 형성한 터널(T)을 포함한다.

또한 본 발명은 상기 조류 증속부(S)를 이루는 터널 벽에 벽면 바깥을 향하여 파인 홈 형태의 수차 수용부(20)가 형성되도록 하여 수차를 설치하고, 상기 수차와 회전축으로 연결되는 발전장치(30)는 바닷물과 접촉하지 않는 터널 벽면 바깥쪽에 설치하도록 할 수 있다.

이때 상기 수차 수용부(20)의 최고 돌출점(p)은, 상기 수차(10)의 회전축 위치로부터 터널중심축선(O)을 향하여 수직인 수차의 반지름(r)에 해당하는 길이 이내에 위치하도록 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제안하는 터널 조류발전 장치는 터널의 단면적이 수차가 위치한 부분으로 갈수록 단면적이 축소되는 형태로 형성되어 있어, 유입된 조류의 유속이 강화된 상태로 수차 날개에 작용한다. 이에 따라 조류가 약해지는 시간에도 발전할 수 있어 발전량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 터널 조류발전 장치는 조류의 흐름에 수차 날개가 수직한 상태 회전하지 않고 조류 흐름 방향으로 밀리면서 회전할 뿐만 아니라 수차의 날개들도 조류 흐름에 일부만 노출되므로, 해조류나 기타 부유물이 수차에 휘감겨 고장이 나는 확률을 대폭 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명의 발전부는 수차를 제외한 나머지 발전장치를 바닷물과 접촉하지 않는 터널 벽 바깥쪽으로 별도의 공간부를 두어 설치하므로, 바닷물과의 접촉 때문에 발생할 수 있는 수격(水擊)이나 부식 등의 고장 원인을 원천적으로 방지할 수 있고, 발전 장치의 설치 및 유지 보수가 편리해지는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터널 조류발전 장치를 측단면으로 본 발전 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 터널 조류발전 장치의 개요를 평면도로 본 것이다
도 3은 본 발명에 따른 터널 조류발전 장치의 설치가 적합한 위치를 표시한 지형도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 터널 조류발전 장치의 구성을 설명한다.

본 발명의 터널 조류발전 장치는 크게 발전부와 터널에 형성된 조류 증속부(S)로 나눠진다. 그리고 상기 발전부는 증속장치(32)와 발전기(31)를 포함하는 발전장치(30) 및 수차(10)로 대별된다.

도 1은 본 발명의 터널 조류발전 장치를 측단면에서 본 발전 개념도로서, 발전장치(30)의 도시는 생략되어 있다.

터널(T)는 양단이 도 3에 도시된 A지역과 B지역과 같은 곳으로 각각 연장되어 있다. 따라서 조석 변화에 따라 조류는 도면상 좌에서 우로 또는 그 역방향으로 흐르게 된다.

터널(T)에는 적절한 위치에 조류 증속부(S)를 형성한다. 조류 증속부(S)는 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 터널의 벽면 전체가 소정 구간에서 터널의 중앙을 향하여 돌출되는 부드러운 곡면의 경사면을 갖는다.

즉 조류 증속부(S)에서 조류가 처음 진입되는 부분과 조류가 퇴출하는 부분은 터널(T)의 최대지름 h가 그대로 유지된 상태일 때의 단면적을 가지며, 양쪽에서 중앙부로 갈수록 점점 단면적이 축소되어 조류 증속부(S)의 중앙 지름은 최소지름 h'를 갖게 된다.

결국 조류 증속부(S)는 전체적인 형상이 모래시계 형태를 이루며, 이러한 조류 증속부(S)는 터널의 길이를 따라 다수 군데에 형성할 수 있다.

그리고 조류 증속부(S)에서 가장 단면적이 작아지는 부분, 즉 중앙에는 터널 벽 바깥쪽을 향하여 파인 홈 형태의 수차 수용부(20)를 형성하여 수차(10)가 그 안에 설치되도록 한다.

본 발명 터널 조류발전 장치의 개요를 평면도로 도시한 도 2를 참조하여 발전부를 설명한다.

발전부는 수차(10), 발전장치(30) 및 이를 연결하는 회전축(12)으로 이루어진다. 수차(10)는 회전축(12)을 중심으로 방사상으로 뻗어나간 복수의 날개(11)를 구비한다. 본 발명의 수차는 작용하는 조류의 방향이 밀물과 썰물시 반대가 되고, 이에 따라 회전 방향도 바뀌게 되는 것이므로, 날개는 전면과 후면이 동일한 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

발전장치(30)는 수차의 회전축(12)을 구동축으로 삼아 작동되며, 통상 수차의 회전수를 증폭시켜 발전기로 전달하는 증속장치(32)와 발전기(31)로 이루어진다. 이러한 발전장치는 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 조류 증속부(S)와 발전부의 결합관계를 설명한다.

도면에 도시된 실시례와 같이, 본 발명의 조류 증속부(S)는 가운데가 돌출된 완만한 곡선형의 터널 내벽면이다. 즉 중앙부로 갈수록 점차 축소되는 단면적을 갖는 조류 통로라 할 수 있다.

후술되어 있는 바와 같이 밀물과 썰물이 발생함에 따라, 도 3의 A지역과 B지역은 수위가 반대로 바꾸며 수위차가 발생한다. 따라서 본 발명은 상기 두 지역을 연결한 터널로는 수위차에 의해 발생하는 조류가 A에서 B, 또는 B에서 A지역으로 흐르게 된다.

즉 터널(T)의 조류 증속부(S)로 유입되는 바닷물은 도면상 좌측으로부터 올 수도 있고 우측으로부터 올 수도 있으며, 어느 경우든 조류의 에너지는 수차에 동일한 크기로 전달되는 것이 바람직하다. 따라서 도 1와 도 2에 도시된 것처럼 발전부의 수차(10)는 조류 증속부(S)의 길이방향의 중간에 설치하는 것이 바람직하다.

그리고 수차 수용부(20)는, 도 1의 도시된 것처럼 조류 증속부(S) 구간 중 가장 단면적이 작아지는 부분에 수차(10)의 외곽을 따라 소정간격을 두고 원통형으로 덮는 형태의 홈으로 형성한다.

도 1에 도시된 것처럼 수차 수용부(20)는 수차의 양 단면 쪽을 귀 덮개처럼 덮는 부분이 형성되는데, 이 부분의 중앙이 수차 수용부(20)에서 터널 중심축선(O) 쪽으로 가장 많이 돌출되는 최고 돌출점(p)가 된다. 이 최고 돌출점(p)은 수차(10)의 회전축(12) 위치와 터널중심축선(O)을 향하여 소정거리 떨어진 위치에 위치하도록 구성한다. 보다 구체적으로는 최고 돌출점(p)은 수차(10)의 회전축 위치로부터 터널중심축선(O)을 향하여 수직인 수차의 반지름(r)에 해당하는 길이 이내에 위치시키는 것이 바람직하다.

이러한 최고 돌출점(p)의 위치 한정은, 수차(10)의 날개 중 일부가 항상 터널 내부로 노출되어 조류에 접할 수 있도록, 수차 수용부(20) 홈의 크기를 제한하는 의미가 있고, 또한 수차(10)의 회전축(12)이 걸릴 수 있는 터널 벽면부를 확보할 수 있도록 해 준다.

수차(10)의 회전축(12)는 베어링(13)으로 지지되면서 터널의 벽면 바깥으로 연장 설치되며, 상기 회전축의 일측에는 발전장치(30)가 연결된다.

발전장치(30)는 터널 벽 바깥쪽에 별도의 공간부를 형성하여 내장토록 하며, 이 공간부는 육상과 연결되는 별도의 통로를 두어 작업자의 출입이 가능하도록 구성한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시례에 따른 터널 조류발전 장치의 작용을 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 터널 조류발전 장치를 설치하기 적합한 지형의 일례를 표시하고 있다. 도시된 것처럼 바다가 반도지형과 이에 둘러싸인 만과 같은 지형이 형성되어 있는 경우, 반도 외곽(A지역)과 만 내부(B지역)의 해역에는 시간 차이를 두고 조석현상이 발생한다.

이러한 현상은 만 내부로 유입 또는 만 밖으로 유출되는 바닷물이 협소한 만 입구를 통과하느라 시간이 걸리기 때문이며, 그 외에도 주변 육지 지형이나 해양의 분포에 따라 조석파의 파봉(波峰)이나 파곡(波谷)이 특정 지역에 도달하는데 차이가 생기므로 이러한 영향을 두루 받게 된다.

즉 도 3의 예를 보면, A지역과 B지역이 직선 거리상으로는 대단히 가깝지만, A지역에 만조가 된 시점에, 만 내부로 바닷물이 유입하는 데에 상당한 시간이 걸리는 B지역은 만조가 되지 못하고 A지역 보다 한참 낮은 수위를 유지하게 된다.

따라서 이렇게 근접한 두 해역을 관통하는 터널(T)을 설치하여 수위차를 이용하면 대량의 발전이 가능하다.

상기와 같은 이유로 본 발명의 터널(T)이 관통되어 있는 두 해역 사이에 수위차가 발생하면, 도 1에 도시된 화살표처럼 터널 내에서 조류가 수차(10)가 설치된 중앙부로 갈수록 점차 축소되는 단면적을 갖는 조류 증속부(S)를 통과하며 흐르게 된다.

이러한 조류 증속부(S)를 통과하는 조류는 베르누이 원리에 따라 단면적이 최소로 되는 수차(10) 부근에서 유속이 크게 증가하게 되고, 이로써 수차 날개(11)의 회전속도도 빨라지게 되므로 발전 효율이 향상될 수 있다.

상기 수차가 회전할 때, 회전축(12)으로 연결된 발전장치(30)를 구동하게 되는 과정은 공지의 것이므로 상세한 설명을 생략한다.

이와 같이 본 발명은, 터널(T)이 관통되어 있는 두 해역 사이에 수위차가 크면 조류의 속도가 충분히 강하므로, 조류에 의해 충분한 수차 회전수를 얻을 수 있다.

그리고 만조와 간조가 반복되는 과정 중에 상기 두 해역의 수위차가 줄어들면 조류의 속도도 느려져서, 통상의 터널에서는 발전에 필요한 충분한 속도로 수차를 회전시킬 수 없게 되나, 본 발명에서는 조류 증속부(S)를 통과하는 조류가 수차(10) 부근에서 유속이 크게 증가하므로 원활한 발전을 이루게 된다.

즉 본 발명은 조류가 약해지는 시간에 발전 효율의 저하하는 현상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시례에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 전술한 실시례에 국한하여 정해져서는 안 되며, 후술될 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들 또는 그 등가적 변형 모두가 본 발명의 사상의 범주에 포함된다고 할 것이다.

10: 수차 11: 날개
12: 회전축 13: 베어링
20: 수차 수용부 30: 발전장치
31: 증속장치 32: 발전기
O: 터널중심축선 p: 최고 돌출점
T: 터널 S: 조류 증속부

Claims (3)

1. 수차와 상기 수차에 연결되는 발전장치를 포함하여 이루어지는 발전부와, 전방과 후방으로부터 상기 수차를 향하여 점차 축소되는 단면적을 갖는 조류 증속부가 형성된 터널을 포함하는 터널 조류발전 장치에 있어서,
   
   상기 조류 증속부(S)의 중앙 지름이 최소지름 h'를 이루는 부분의 터널 벽에는 벽면 바깥쪽을 향하여 파인 홈 형태의 수차 수용부(20)가 형성되고,
   
   상기 수차 수용부(20)는, 수차의 양 단면 쪽을 귀 덮개처럼 덮는 부분의 중앙이 수차 수용부(20)에서 터널중심축선(O) 쪽으로 가장 많이 돌출되는 최고 돌출점(p)이 되도록 구성되며,
   상기 수차의 회전축(12)의 중심은 상기 최고 돌출점(p)과 터널중심축선(O)을 수직으로 연결하는 선의 연장선상에 위치하고,
   상기 최고 돌출점(p)은 상기 수차(10)의 회전축(12) 위치로부터 터널중심축선(O)을 향하여 수직인 수차의 반지름(r)에 해당하는 길이 이내에 위치하는 것을 특징으로 하는 터널 조류발전 장치.
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