KR101710653B1 - 내만 빈산소 수괴 해소를 위한 수층 혼합확산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수층 혼합 확산 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템은, 수면에 부유하는 데크부, 데크부에 설치되어 수층의 상부와 하부의 물을 상호 혼합 및 확산시키기 위한 것으로서 상부에 취수구가 형성되는 관형의 제1취수관과, 제1취수관의 하부에 이격되게 설치되며 하부에 취수구가 형성되는 관형의 제2취수관과, 제1취수관과 제2취수관에 의하여 각각 취수된 수층의 상부와 하부의 물이 함께 방류되도록 제1취수관과 제2취수관 사이에 형성되는 방류구와, 방류구에 회전가능하게 설치되어 방류구에서 물을 방출시키며 제1취수관과 제2취수관 내부에 흡인력을 인가하는 프로펠러 및 프로펠러에 구동력을 제공하는 모터를 구비하는 수층혼합유닛, 수층혼합유닛의 작동을 제어하는 콘트롤러 및 수층혼합유닛과 콘트롤러에 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 것에 특징이 있다.

Description

내만 빈산소 수괴 해소를 위한 수층 혼합확산장치{Mixing and dispersion device for breaking hypoxia water mass at coastal area}

본 발명은 환경기술에 관한 것으로서, 특히 연안 내만 지역에 발생하는 빈산소 수괴에 의한 피해를 저감시키기 위한 기술에 관한 것이다.

연안의 반폐쇄 해역 내만에서 현안이 되고 있는 `빈산소 수괴`는 1970년대 중반에 진해만에서 처음 관측되었고, 매년 여름철이면 어김없이 나타나고 있다. 특히 진해만 해역과 마산만, 통영만, 가막만, 천수만의 북부해역, 시화호, 영산강하구 양양 남대천 하구 등과 같은 주요 연안 영역에서 다양한 형태로 빈산소 수괴가 형성되고 있다.

연안에 위치한 내만은 도시, 하천하구 및 임해공단과 인접하고 있고, 육상 및 해양 기원성 유기물 증가로 인해 빈산소층(hypoxic layer)이 만성적으로 발생하여 이로 인한 환경적 피해가 보고되고 있다. 특히, 여름철(고수온ㆍ저염분 시기)에 내만과 간척호 등에서 매년 주기적으로 빈산소층이 발생하여 저서동식물이 일시에 폐사하므로 연안환경의 경제적 이용가치가 크게 훼손될 뿐만 아니라 생태계의 복원이 매우 어렵다는 문제점이 있다.

빈산소 수괴를 해소하기 위하여 다양한 기술이 개발되었다.

공기를 심층부에 주입하는 심층 폭기 기술은 기포가 곧 바로 수면 위로 부상하여 사라지고 심층부에 체류시간이 짧아 극히 일부만 용해된다는 한계가 있다. 또한 교반에 의한 폭기 방식은 특정 층만 폭기하게 된다. 또한 펌프에 의해 심층수를 표층으로 이동시키는 기술은 심층수의 밀도가 커서 다시 바닥층으로 되돌아가므로 효과가 미미하였다.

빈산소 수괴의 발생은 정체성이 강한 해역에서 해수의 상하층이 수온 및 염분의 밀도 성층화에 의해 혼합이 원활하지 않은데 기인한 것으로서, 원인을 해결하는 차원에서 기술적 접근이 필요하다.

본 발명은 연안의 내만에서 성층 현상에 의하여 발생하는 빈산소 수괴를 해소하기 위한 수층 혼합 확산 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템은, 수면에 부유하는 데크부; 상기 데크부에 설치되어 수층의 상부와 하부의 물을 상호 혼합 및 확산시키기 위한 것으로서, 상부에 취수구가 형성되는 관형의 제1취수관과, 상기 제1취수관의 하부에 이격되게 설치되며 하부에 취수구가 형성되는 관형의 제2취수관과, 상기 제1취수관과 제2취수관에 의하여 각각 취수된 수층의 상부와 하부의 물이 함께 방류되도록 상기 제1취수관과 제2취수관 사이에 형성되는 방류구와, 상기 방류구에 회전가능하게 설치되어 상기 방류구에서 물을 방출시키며 상기 제1취수관과 제2취수관 내부에 흡인력을 인가하는 프로펠러 및 상기 프로펠러에 구동력을 제공하는 모터를 구비하는 수층혼합유닛; 상기 수층혼합유닛의 작동을 제어하는 콘트롤러; 및 상기 수층혼합유닛 및 콘트롤러에 전원을 인가하는 전원부;를 포함하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 데크부에 결합되어 수중에 배치되거나, 또는 상기 데크부와 이격되게 수중에 설치되어, 수온, 염분 농도 및 산소요구량을 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서를 구비하는 센서유닛을 더 구비하며, 상기 센서유닛에서 측정된 데이터는 상기 콘트롤러에 전송된다.

특히, 상기 센서유닛은 일방향으로 길게 형성되어 수중에 설치되는 지지봉을 구비하며, 상기 센서는 복수 개 마련되어 수심을 달리하여 상기 지지봉에 상호 이격되게 설치될 수 있다. 또는 상기 센서가 한 개만 마련되고, 센서가 상기 지지봉을 따라 상하방향으로 이동가능하게 설치될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 데크부에는 중앙부로부터 일측변까지 절개부가 형성되어 있으며, 상기 수층혼합유닛의 상부는 상기 데크부에 회동가능하게 결합되어, 상기 수층혼합유닛은 수층의 혼합을 위하여 상기 수중에 깊이방향을 따라 배치되는 제1자세와, 상기 데크부와 함께 위치를 이동하기 위하여 상기 제1자세로부터 회동되어 상기 데크부의 절개부에 삽입되는 제2자세 사이에서 자세변경 가능한 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 프로펠러는, 상기 제1취수관과 제2취수관 사이의 방류구에 배치되는 원반형의 플레이트와, 상기 플레이트의 중앙부 쪽은 높고 가장자리로 갈수록 점차 낮아지게 형성되도록 상기 플레이트 상면에 서로 이격되어 배치되는 복수의 제1블레이드와, 상기 제1블레이드와 대칭되는 형상으로 상기 제1플레이트의 하면에 형성되는 복수의 제2블레이드를 구비한다.

여기서, 상기 제1블레이드의 길이는 상기 제2블레이드의 길이에 비하여 1.2~5배 더 길게 형성할 수 있다. 이러한 크기 차이에 따라 하층과 상층에서 흡인되는 물의 양이 조절된다. 또한 크기는 동일하게 하되 회전수를 달리하여 흡인되는 물의 양을 다르게 조절할 수도 있다.

그리고 상기 프로펠러는 중량의 감소를 통한 에너지 효율을 증대시키기 위하여 유리섬유강화플라스틱(GFRP, Glass Fiber Reinforced Plastics) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics) 중 어느 하나의 소재로 이루어진 것이 바람직하다.

그리고 상기 전원부는 상기 데크부에 설치되는 복수의 태양전지를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 프로펠러는 상기 제1취수관의 하부에 설치되며 중앙부는 높고 반경방향으로 갈수록 높이가 낮아지도록 원추형으로 형성된 제1플레이트와, 상기 제1플레이트 위에 상호 이격되게 형성되는 복수의 제1블레이드를 구비하는 제1프로펠러와, 상기 제1프로펠러와 상하방향을 따라 대칭되게 형성되어 상기 제1프로펠러의 하부에 설치되며, 원추형의 제2플레이트와 상기 제2플레이트 위에 상호 이격되게 형성되는 복수의 제2블레이드를 구비하는 제2프로펠러를 포함한다. 여기서, 상기 제1플레이트의 직경은 상기 제2플레이트의 직경에 비하여 2~4배 정도 더 크며, 상기 제1블레이드의 길이도 상기 제2블레이드의 길이에 비하여 2~4배 정도 크다.

본 발명에 의한 수층 혼합확산장치를 이용하여 밀도차에 의하여 형성되는 내만의 빈산소층을 제거하고 상층부와 하층부의 물 순환이 원활하게 이루어질 수 있다. 이에 따라 양식장은 물론 해저 생태계가 복원될 수 있어 환경 및 어업환경이 개선될 것으로 기대된다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 연안 내만의 수온 분포와 성층 현상을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 수층 혼합 및 확산 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템이 수중에 설치된 상태의 개략적 도면이다.
도 4a는 도 3의 A로 표시된 프로펠러의 개략적 확대 단면도이다.
도 4b는 프로펠러를 위에서 본 개략적 평면도이다.
도 5는 수층혼합유닛이 작동될 때와 이동될 때의 자세를 개략적으로 설명하기 위한 개략적 도면으로서, (a)는 수층혼합유닛이 수직으로 배치되어 작동하고 있는 상태, (b)는 수층혼합유닛이 이동을 위해 수평하게 자세를 변환한 상태, 그리고 (c)는 (b)의 상태를 위에서 본 개략적 평면도이다.
도 6 및 도 7은 다른 형태의 프로펠러의 실제 사진이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

정체된 호소나 항만 그리고 근해의 내만에서는 수심에 따른 온도 차이 때문에 물의 밀도가 변화됨으로써 수직방향으로 물순환이 일어남으로써 자정 작용을 한다.

그러나 성층 현상(stratification)으로 인하여 수직 물 순환이 일어나지 않으므로 부영양화에 따른 녹조, 적조, 빈산소 등 다양한 수질 악화 현상이 발생한다.

특히 여름철에는 수심이 깊을수록 수온이 낮고 물의 밀도가 증가하므로 성층 현상이 발달하게 되어 여름철의 내만은, 도 1의 그래프에 도시된 바와 같이, 온난상층, 온도구배층 및 정체하층으로 분화된다. 온난상층은 표면수가 바람, 물결 등에 의한 혼합으로 온도가 거의 일정하지만 온도구배층은 온도변화가 수직방향을 따라 크게 변화하면서 물의 혼합이 잘 일어나지 않는다.

상기한 바와 같이 수층의 상하방향 순환이 일어나지 않으면 저층의 물에는 산소가 심각하게 부족하게 되는 빈산소 수괴가 발생하게 된다. 이에 따라 저서생물 등의 생태 환경이 급격하게 나빠질 수 있다.

본 발명에서는 연안 내만 저층의 빈산소 수괴를 해소하기 위하여 상층수와 하층수의 물을 혼합하여 방류 및 확산시키기 위한 시스템을 제공하고자 한다.

도 2는 수층의 혼합 및 확산 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 위쪽 도면을 참고하면, 수층의 전체가 균일한 밀도로 형성된 경우 특정 지점에서 물을 방류하면 특정한 방향성 없이 물이 넓게 분산된다. 도 2의 아래쪽 도면에는 여름철 연안 내만과 같이 수층의 상부는 저밀도이고 하부는 고밀도이고 중앙부는 중밀도인 케이스가 나타나 있다. 이 때 중밀도의 물을 중간 지점에서 방류하게 되면 물이 상하로 이동하지 않고 동일 밀도층을 따라 확산되는 모습을 볼 수 있다. 동일 밀도층을 따라 확산될 때에는 많은 에너지가 요구되지 않고 약간의 에너지에도 쉽게 확산이 일어나는 것으로 보고되어 있다.

중밀도의 물을 만들기 위하여 상층부의 저밀도 물과 하층부의 고밀도 물을 흡인하여 상호 혼합한다. 이렇게 상층부와 하층부의 물을 흡인 및 혼합하여 중밀도 물을 확산시키면 중밀도 층이 두꺼워지고 하층부와 상층부가 얇아지면서 성층이 깨어지고 수층의 순환이 일어날 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 원리를 장치적으로 구현하며, 최적의 성능을 낼 수 있는 수층 혼합 및 확산 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 수층 혼합 및 확산 시스템은 주로 연안 내만에서 성층 현상에 따른 빈산소 수괴 해소를 위해 사용될 예정이지만, 바다 이외에도 호소 등에서도 사용할 수 있다. 또한 내만이 아니라고 해도 양식장 등 생태환경이 중요한 영역에서 사용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템이 수중에 설치된 상태의 개략적 도면이고, 도 4a는 도 3의 A로 표시된 프로펠러의 개략적 확대 단면도이며, 도 4b는 프로펠러를 위에서 본 개략적 평면도이다.

도 3 내지 도 4b를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수층 혼합 확산 시스템(100)은 데크부(10), 수층혼합유닛(70), 센서유닛(80), 전원부(90) 및 콘트롤러(미도시)를 구비한다.

데크부(10)는 호소, 바다에 부유하여 수층혼합유닛(70)을 지지하기 위한 것이다. 본 실시예에서 데크부(10)는 평평하게 형성되는 갑판(11)과, 갑판(11)의 하부에 설치되는 복수의 밸라스트 탱크(12)를 구비한다. 밸라스트 탱크(12)는 물을 수용할 수 있고, 물의 수용량을 조절하여 데크부(10)의 부력을 조절한다. 본 실시예에서 갑판(11)의 중앙부에는 수층혼합유닛(70)을 설치하기 위하여 뚫려 있는 장착부(13)가 마련된다. 그리고 장착부(13)로부터 갑판(11)의 일측변까지 길게 절개부(14)가 형성된다. 절개부(14)는 수층혼합유닛(70)이 수평하게 배치된 상태에서 수층혼합유닛(70)을 수용하여 보호하기 위한 것이다. 본 실시예에서 데크부(10)는 대략 가로와 세로가 각각 12m 정도의 크기로 제조되며, 중앙의 장착부(13)는 가로와 세로가 각각 4m 정도의 정사각형으로 형성된다.

전원부(90)는 수층혼합유닛(70), 콘트롤러(80) 등에 전원을 공급하기 위한 것으로서, 본 실시예에서는 복수의 태양전지패널(91)이 사용된다. 수층 혼합 확산 시스템(100)을 설계할 때 가장 중요한 점 중에 하나는 전원의 공급이다. 육상으로부터 멀리 떨어져서 해상에서 운전해야 하며, 여름철에는 지속적으로 운전해야 하기 때문에 전원의 안정적 공급이 무엇보다도 중요하다. 전원의 안정적 공급은 2가지 측면에서 고려되어야 한다. 첫 째, 태양전지패널과 같이 태양광을 이용하여 기름이나 별도의 전기를 사용하지 않고 동력을 공급할 수 있어야 한다는 점이다. 물론 보조적으로 기름이나 밧데리를 사용할 수도 있다. 그러나 메인 전원은 태양전지와 같이 태양광을 이용하는 것이 바람직하다. 둘 째, 동력 사용을 최소화할 수 있도록 해야 한다는 점이다. 이는 동력의 대부분을 사용하는 수층혼합유닛의 프로펠러의 전력 효율과 관계된 것이므로 뒤에서 다시 설명하기로 한다.

본 실시예에서는 복수의 태양전지패널(91)을 데크부(10)의 둘레 방향을 따라 조밀하게 배치하며, 장착부(14)의 상측에도 설치하여 최대한 넓은 면적에서 태양광을 수광하여 에너지를 생산할 수 있도록 한다. 본 실시예에서는 18kw급 이상의 태양전지패널을 사용하며, 후술할 콘트롤러에 의하여 태양전지패널(91)이 원격으로 제어가능하다.

수층혼합유닛(70)은 다시 제1취수관(20), 제2취수관(30), 방류구(40) 및 프로펠러(50)를 구비한다.

제1취수관(20)은 관 형상으로 길게 형성된다. 제1취수관(20)의 상부에는 물이 관 내부로 유입될 수 있는 취수구(21)가 형성된다. 제1취수관(20)의 하부는 나팔관처럼 외측으로 직경이 점차 커져 넓게 벌어져 있다.

제2취수관(30)은 제1취수관(20)을 상하방향으로 뒤집어 놓은 것과 동일하다. 즉, 제2취수관(30)도 관 형상으로 길게 형성되며 제1취수관(20)의 하단부와 약간 이격되어 제1취수관(20)과 일직선상에 배치된다. 제2취수관(30)의 하부에는 물이 관 내부로 유입될 수 있는 취수구(31)가 형성되며, 상부는 직경이 점차 넓어져 외측으로 벌어지게 형성된다.

제1취수관(20)과 제2취수관(30)은 상호 이격되어 있지만 프레임(미도시) 등에 의하여 상호 연결되어 있다.

제1취수관(20)의 하단부와 제2취수관(30)의 상단부 사이가 물이 배출되는 방류구(40)를 형성한다. 그리고 제1취수관(20)의 하부와 제2취수관(30)의 상부에 나팔관처럼 벌어진 부분에 프로펠러(50)가 설치된다.

프로펠러(50)는 플레이트(51)와 복수의 제1블레이드(52) 및 복수의 제2블레이드(53)를 구비한다. 플레이트(51)는 원반 형상으로 제1취수관과 제2취수관 사이에 배치된다. 플레이트의 중앙에는 제1취수관의 내부를 통해 회전축(54)이 연결된다.

복수의 제1블레이드(52)는 플레이트(51)의 상면으로부터 돌출되게 형성된다. 제1블레이드(52)의 측면 회전축(54)에 결합되고, 밑면은 플레이트(51)에 결합된다. 제1블레이드(51)는 측면에서 보았을 때 플레이트(51)의 중앙쪽으로부터 가장자리로 갈수록 높이가 점차 낮아지게 형성된다. 또한, 위에서 보았을 때 제1블레이드(52)는 고기압의 중심부에서 바람이 주변으로 휘어져 나가는 것과 같이 플레이트(51)의 중앙부로부터 가장자리로 갈수록 곡선을 그리며 휘어지게 형성된다. 제1블레이드(52)는 일정 각도 간격으로 플레이트(51) 위에 대칭적으로 배치된다.

복수의 제2블레이드(53)는 플레이트(51)의 하면으로부터 하방으로 돌출되게 형성되어, 형태적으로 보면 제1블레이드(52)를 거꾸로 뒤집어 놓은 형상으로 이루어진다. 제2블레이드(53)들은 일정 각도 간격으로 이격되게 배치된다. 제1블레이드(52)와 마찬가지로 플레이트(51)의 중앙쪽이 높고 가장자리로 갈수록 낮아지며, 위에서 보았을 때 곡선으로 휘어져서 형성된다. 본 실시예에서 제1블레이드(52)와 제2블레이드(53)가 서로 다른 점은 크기이다. 길이를 기준으로, 제1블레이드(52)는 제2블레이드(53)에 비하여 1.2~5배 정도 길게 형성된다. 다른 관점으로 보면, 복수의 제1블레이드(52)의 끝 지점을 연결한 가상의 원의 직경은, 마찬가지로 제2블레이드의 끝 지점을 연결한 가상의 원의 직경에 비하여 크다.

이렇게 제1블레이드(52)와 제2블레이드(53)의 크기가 서로 다른 것은 취수량에서 차이를 주기 위함이다. 즉, 제1블레이드(52)와 제2블레이드(53)가 모터(미도시)에 의하여 회전하면, 제1취수관(20)과 제2취수관(30) 사이의 방류구(40)에서는 횡방향으로 물이 배출된다. 그리고 제1블레이드(52)의 회전에 의해 만들어지는 흡인력은 취수구를 통해 수층 상부의 물을 제1취수관(20)으로 흡인하고, 마찬가지로 제2블레이드(53)의 회전에 의해 만들어지는 흡인력은 수층 하부의 물을 제2취수관(30)으로 흡인하게 된다.

본 발명에서는 밀도가 높고 산소가 적은 수층 하부의 물과, 밀도가 낮고 산소가 풍부한 수층 상부의 물을 각각 제2취수관(30)과 제1취수관(20)을 통해 흡인하여 혼합함으로써 중밀도로 만든 후 방류구(40)를 통해 확산시킨다. 이 때 상층부의 물과 하층부의 물이 각각 얼만큼 취수할 것인지가 최종적으로 혼합되어 방류되는 물의 밀도를 결정하게 된다. 그리고 취수량의 결정은 흡인력의 크기 차이, 즉 회전수가 동일하다고 보았을 때 블레이드의 크기에 의해 결정한다. 본 실시예에서는 하부 저층수와 상부 표층수를 대략 1:2.5~3.5 정도의 비율로 취수하여 혼합한다. 이에 따라 제1블레이드(52)를 제2블레이드(53) 보다 더 크게 형성한 것이다. 도시하지는 않았지만, 다른 실시예에서는 제1블레이드와 제2블레이드의 크기는 동일하게 하되, 플레이트를 분리하여 제1블레이드와 제2블레이드의 회전수를 서로 다르게 함으로써 취수량의 차이를 줄 수도 있다. 예컨대, 제1블레이드가 결합되는 플레이트와 제2블레이드가 결합되는 플레이트는 기어를 통해 회전수를 다르게 할 수 있다.

한편, 앞에서 언급한 바와 같이, 해안에서 운전되는 수층혼합유닛은 동력을 안정적으로 공급하는 것이 가장 중요한 문제인 바 에너지를 효율적으로 사용하는 것이 무엇보다도 중요하다. 예컨대 프로펠러를 스테인레스로 제작하는 경우 본 실시예에서는 대략 540kg 정도의 무게가 나간다. 그러나 본 실시예에서는 프로펠러의 무게를 줄여 에너지 효율을 증대시킨다. 즉, 본 실시예에서 프로펠러는 유리섬유강화플라스틱(GFRP, Glass Fiber Reinforced Plastics) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics) 중 어느 하나의 소재로 제조한다. 이 경우 프로펠러의 무게를 대략 100kg 정도로 낮출 수 있는 바, 스테인레스 소재에 비하여 프로펠러 회전에 소모되는 에너지를 줄일 수 있다. 또한 위 소재들은 무게는 적지만 강도는 매우 높을 뿐만 아니라 염도가 높은 해수에서도 저항성이 우수하다는 이점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템(100)에서는 센서유닛(80)이 마련된다. 센서유닛(80)은 수중에 설치되어 수층의 심도에 따라 수온, 염분 농도 및 산소요구량을 측정하기 위한 것이다. 센서유닛(80)은 길게 형성되어 수중에 삽입되는 지지봉(81)을 구비한다. 이 지지봉(81)은 데크부(10)에 설치될 수도 있으며, 데크부(10)와 이격되어 설치될 수도 있다. 그리고 지지봉(81)에는 심도에 따라 복수의 센서(82)가 설치된다. 다른 실시예에서는 센서가 지지봉을 따라 상하방향으로 이동가능하게 설치되어 수심에 따라 수온 등을 측정할 수 있다.

센서유닛(80)에 설치된 센서들은 수심에 따라 수온, 염분 농도, 산소요구량을 측정하여, 콘트롤러에 전송한다. 콘트롤러는 이러한 데이터를 통해 수층혼합유닛(70)을 작동해야 되는지를 결정할 수 있다. 또한 수층혼합유닛(70)이 작동되고 있는 동안에는 데크부(10)로부터 멀리 떨어져 있는 센서유닛을 통해 중밀도의 물이 제대로 확산되고 있는지를 모니터링할 수 있다. 이러한 모니터링을 통해 콘트롤러는 프로펠러의 회전 속도를 늦추거나 높여 효율적으로 성층 현상을 해소시킬 수 있다.

콘트롤러는 상기한 바와 같이 수층혼합유닛(70), 센서유닛(80), 전원부(90)와 전기적으로 연결되어 이들을 원격으로 제어할 수 있으며, 특히 통신수단을 통해 센서유닛(80)으로부터 데이터를 전송받을 수 있다.

콘트롤러에서는 여름철과 같이 빈산소가 계속 발생하는 경우 3kw의 범위로 수층

혼합유닛을 연속적으로 가동하여 5,500m³/h 정도의 물을 방류하지만, 이와 달리 간헐적으로 운전시에는 10kw 범위로 8,4000m³/h 정도의 물을 방류하여 에너지를 효율적으로 관리한다. 대략 하루에 20만톤 정도의 물을 방류할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템(100)은 한 자리에 머물러 있지 않고 이동가능하다. 이렇게 시스템(100)이 이동을 할 때에는 수층혼합유닛(70)이 수직한 방향으로 길게 설치된 상태에서 이동하는 것은 안전하지 않다. 본 발명에서는 이를 위하여 수층혼합유닛의 자세를 변경할 수 있게 하였다.

도 5는 수층혼합유닛이 작동될 때와 이동될 때의 자세를 개략적으로 설명하기 위한 개략적 도면으로서, (a)는 수층혼합유닛이 수직으로 배치되어 작동하고 있는 상태, (b)는 수층혼합유닛이 이동을 위해 수평하게 자세를 변환한 상태, 그리고 (c)는 (b)의 상태를 위에서 본 개략적 평면도이다. 도 5의 (a), (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 수층혼합유닛(70)의 상부가 데크부(10)에 회동가능하게 결합되게 하여, 수층혼합유닛(70)이 작동시에는 수직하게 배치시키고, 이동시에는 수평한 자세로 배치한다. 수평한 자세로 배치되었을 때, 수층혼합유닛(70)의 상부영역(예컨대 제1취수관)이 데크부(10)의 절개부(14) 내로 삽입되어 보호된다. 수층혼합유닛(70)을 90도 각도로 회동시키기 위하여 모터나 펌프, 회전축 등의 기계적 구성을 채택할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 프로펠러를 회전시켜 하부의 산소가 적고 고밀도의 저층수와, 상부의 산소가 풍부하고 저밀의 표층수를 각각 취수 및 혼합하여 중밀도의 물을 형성한다. 중밀도의 물은 방류구에서 방류되어 밀도류를 형성하며 주변으로 확산된다. 이 과정에서 성층 현상이 해소되어 저층수와 상층수 사이에 순환이 다시 일어날 수 있고, 저층수의 빈산소 수괴가 해소될 수 있다. 특히 본 발명에서는 저층수와 표층수의 취수량을 조절하여 가장 적합한 밀도의 물을 형성할 수 있다. 그리고 수층혼합유닛과 별도로 센서유닛을 통해 빈산소 수괴가 발생하는 영역에서의 데이터를 수집하여, 수층혼합유닛의 작동 여부, 그리고 제대로 작동하는지 여부를 모니터링하여 적극적으로 빈산소 수괴에 대응할 수 있다는 이점이 있다.

무엇보다도 수층 혼합 확산 시스템은 해상에서 운전되므로 전원공급이 중요한데, 본 발명에서는 태양전지를 이용하여 전원 공급을 용이하게 하고, 프로펠러의 재질을 플라스틱 소재로 만들어 에너지 효율을 획기적으로 향상시켰다. 그리고 콘트롤러에서는 빈산소 수괴 발생 여부, 센서유닛을 통한 데이터의 피드백을 통해 가장 효율적으로 수층혼합유닛을 작동시킨다. 이에 따라 본 발명에 따른 수층 혼합 확산 시스템은 제한된 양의 에너지를 이용하여 최대한의 효과를 발현할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 앞에서 설명 및 도시한 형태의 프로펠러 이외에도 다른 형태의 프로펠러를 사용할 수 있다. 즉, 도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 예에서 사용하는 프로펠러의 실제 사진이다. 도 6은 프로펠러의 상부 영역, 즉 제1취수관을 향해 있는 제1프로펠러이며, 도 7은 프로펠러의 하부 영역, 즉 제2취수관을 향해 있는 제2프로펠러이다. 즉, 도 6 및 도 7에 도시된 프로펠러는 두 개의 프로펠러가 상하로 결합되어 있는 형태이다. 이 프로펠러에서늦ㄴ 플레이트가 원추형으로 형성되어 방류구 쪽으로 물의 흐름을 자연스럽게 형성할 수 있다는 이점이 있다. 그리고 앞의 예에서와 마찬가지로 제1프로펠러의 크기가 제2프로펠러의 크기보다 1.5 ~ 4 배 정도 더 크게 형성되어 취수량을 조절할 수 있다.

미설명한 부호 89는 센서유닛을 수중에ㅔ 설치하기 위한 부유체이다. 또한 미설명한 부호 92는 태양전지패널을 지지하기 위한 프레임이다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

100 ... 수층 혼합 확산 시스템
10 ... 데크부, 11 ... 갑판, 12 ... 밸라스트 탱크
20 ... 제1취수관, 30 ... 제2취수관, 40 ...방류구
50 ...프로펠러, 51 ... 플레이트, 52 ... 제1블레이드, 52 ... 제2블레이드
70 ... 수층혼합유닛, 80 ... 센서유닛, 90 ... 전원부

Claims (9)

1. 수면에 부유하는 데크부;
   상기 데크부에 설치되어 수층의 상부와 하부의 물을 상호 혼합 및 확산시키기 위한 것으로서, 상부에 취수구가 형성되는 관형의 제1취수관과, 상기 제1취수관의 하부에 이격되게 설치되며 하부에 취수구가 형성되는 관형의 제2취수관과, 상기 제1취수관과 제2취수관에 의하여 각각 취수된 수층의 상부와 하부의 물이 함께 방류되도록 상기 제1취수관과 제2취수관 사이에 형성되는 방류구와, 상기 방류구에 회전가능하게 설치되어 상기 방류구에서 물을 방출시키며 상기 제1취수관과 제2취수관 내부에 흡인력을 인가하는 프로펠러 및 상기 프로펠러에 구동력을 제공하는 모터를 구비하는 수층혼합유닛;
   상기 수층혼합유닛의 작동을 제어하는 콘트롤러; 및
   상기 수층혼합유닛 및 콘트롤러에 전원을 인가하는 전원부;를 포함하며,
   상기 데크부에는 중앙부로부터 일측변까지 절개부가 형성되어 있으며,
   상기 수층혼합유닛의 상부는 상기 데크부에 회동가능하게 결합되어, 상기 수층혼합유닛은 수층의 혼합을 위하여 수중에 깊이방향을 따라 배치되는 제1자세와, 상기 데크부와 함께 위치를 이동하기 위하여 상기 제1자세로부터 회동되어 상기 데크부의 절개부에 삽입되는 제2자세 사이에서 자세변경 가능하며,
   상기 프로펠러는, 상기 제1취수관과 제2취수관 사이의 방류구에 배치되는 원반형의 플레이트와, 상기 플레이트의 중앙부 쪽은 높고 가장자리로 갈수록 점차 낮아지게 형성되도록 상기 플레이트 상면에 서로 이격되어 배치되는 복수의 제1블레이드와, 상기 제1블레이드와 대칭되는 형상으로 상기 플레이트의 하면에 형성되는 복수의 제2블레이드를 구비하되, 상기 제1블레이드의 길이는 상기 제2블레이드의 길이에 비하여 1.2~5배 더 길며,
   상기 프로펠러는 중량의 감소를 통한 에너지 효율을 증대시키기 위하여 유리섬유강화플라스틱(GFRP, Glass Fiber Reinforced Plastics) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics) 중 어느 하나의 소재로 이루어지고,
   상기 데크부에 결합되어 수중에 배치되거나, 또는 상기 데크부와 이격되게 수중에 설치되어, 수온, 염분 농도 및 산소요구량을 측정할 수 있는 적어도 하나의 센서를 구비하는 센서유닛을 더 구비하며, 상기 센서유닛에서 측정된 데이터는 상기 콘트롤러에 전송되되,
   상기 센서유닛은 일방향으로 길게 형성되어 수중에 설치되는 지지봉을 구비하며, 상기 센서는 복수 개 마련되어 수심을 달리하여 상기 지지봉에 상호 이격되게 설치되거나 또는 상기 센서는 상기 지지봉을 따라 상하방향으로 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 수층 혼합 확산 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 전원부는 상기 데크부에 설치되는 복수의 태양전지인 것을 특징으로 하는 수층 혼합 확산 시스템.

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