KR101885293B1 - 덕트형 수중터빈장치 및 이를 구비한 복합 풍력발전기 - Google Patents

덕트형 수중터빈장치 및 이를 구비한 복합 풍력발전기 Download PDF

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Abstract

덕트형 수중터빈장치 및 이를 구비한 복합 풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 내부 유로를 구비하고 유수의 흐름방향으로 연장 형성된 덕트 바디 및, 상기 덕트 바디 일단에 마련되는 제1확경부를 구비하는, 덕트 어셈블리; 및 상기 덕트 바디 내부에 배치되어 상기 덕트 바디에 대해 회전 가능하도록 형성되는, 로터 어셈블리;를 포함하되, 상기 제1확경부는, 상기 로터 어셈블리의 회전축을 중심으로 원주방향 이격 배치되는 복수의 제1보조유통구; 및 상기 각각의 제1보조유통구를 개폐하는 제1플랩;을 포함하며, 상기 제1플랩은, 제1방향의 유수 흐름에 의해 열림 방향으로 외력을 받고, 상기 제1방향의 반대인 제2방향의 유수 흐름에 닫힘 방향으로 외력을 받도록 형성된, 덕트형 수중터빈장치가 제공될 수 있다.

Description

덕트형 수중터빈장치 및 이를 구비한 복합 풍력발전기{DUCT TYPE UNDERWATER TURBINE DEVICE AND WIND POWER GENERATOR HAVING THE SAME}
본 발명은 유수의 흐름을 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 덕트형 수중터빈장치 및 이를 구비한 복합 풍력발전기에 관한 것이다.
전력을 생산하는 방법 중 하나로 유수의 흐름을 전기적 에너지로 변환시키는 방법이 알려져 있다. 예컨대, 하천 등에서 유수의 흐름을 이용하는 소수력 발전, 조수간만의 차를 이용하는 조력발전, 조류를 이용한 조류발전, 해류의 흐름을 이용하는 해류발전, 수위차에 의한 흐름을 이용하는 수력발전 등이 이에 해당된다.
유수를 이용한 발전은 매우 다양한 방식 및 수단이 존재하나, 기본적으로 유수의 흐름을 회전력으로 전환하고, 이러한 회전력을 전자기유도법칙에 의해 다시 전기적 에너지로 변환시키는 방식을 사용한다. 통상, 유수의 흐름을 회전력으로 전환시키는데는 블레이드, 프로펠러 등이 구비된 터빈이 사용되게 된다. 즉, 유수의 흐름에 의해 터빈이 회전되면, 터빈의 회전력을 발전수단으로 전달하여 전기적 에너지로 변환하는 것이다.
유수의 흐름을 이용한 발전수단의 일 예로, 등록특허공보 제10-1623709호는 조류를 이용한 발전용 수차구조물을 개시하고 있다. 상기 등록특허공보의 수차구조물은 덕트형의 몸체 내부에 블레이드를 설치하고, 덕트를 따라 흐르는 유수가 블레이드를 회전시키면, 블레이드의 회전축에 연결된 발전기가 전력을 생산하게 되는 구조를 가지고 있다. 특히, 상기 등록특허공보의 수차구조물은 유수의 흐름을 안내하는 일종의 덕트 구조물(몸체)를 가지고 있는데, 이러한 덕트 구조물의 추가는 유수의 흐름은 안내하거나 덕트 내부에서 흐름을 가속시키는 효과를 얻을 수 있어, 발전효율을 향상시키는데 도움을 줄 수 있는 것으로 알려져 있다.
덕트를 사용한 타입의 다른 예로, 등록특허공보 제10-1454542호는 수중에 부유되는 형태의 덕트 조류발전장치를 개시하고 있다. 상기 등록특허공보의 덕트 조류발전장치는 내부에 터빈이 설치된 덕트를 와이어를 통해 수중에 계류시키도록 구성되어 유수 방향에 따른 발전효율을 향상시키고 있다.
등록특허공보 제10-1623709호(2016년 5월 18일 등록) 등록특허공보 제10-1454542호(2014년 10월 17일 등록)
본 발명의 실시예들은 덕트를 구비한 수중터빈장치에 있어서, 유수의 흐름을 보다 효과적으로 유도하고, 발전효율을 향상시킬 수 있는 덕트형 수중터빈장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 발전기가 내설되어 장치의 설치작업을 용이하게 하고, 장기간 수중에서 구조적 안정성을 유지할 수 있는 덕트형 수중터빈장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상기의 덕트형 수중터빈장치가 풍력발전기와 조합된 복합형 풍력발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부 유로를 구비하고 유수의 흐름방향으로 연장 형성된 덕트 바디 및, 상기 덕트 바디 일단에 마련되는 제1확경부를 구비하는, 덕트 어셈블리; 및 상기 덕트 바디 내부에 배치되어 상기 덕트 바디에 대해 회전 가능하도록 형성되는, 로터 어셈블리;를 포함하되, 상기 제1확경부는, 상기 로터 어셈블리의 회전축을 중심으로 원주방향 이격 배치되는 복수의 제1보조유통구; 및 상기 각각의 제1보조유통구를 개폐하는 제1플랩;을 포함하며, 상기 제1플랩은, 제1방향의 유수 흐름에 의해 열림 방향으로 외력을 받고, 상기 제1방향의 반대인 제2방향의 유수 흐름에 의해 닫힘 방향으로 외력을 받도록 형성된, 덕트형 수중터빈장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 일단의 제1유통구와 타단의 제2유통구를 구비하는 덕트 바디, 상기 덕트 바디의 일단에 마련되는 제1확경부 및, 상기 덕트 바디의 타단에 구비되는 제2확경부를 포함하는, 덕트 어셈블리; 상기 덕트 바디 내부에 배치되어 상기 덕트 바디에 대해 회전 가능하도록 형성되는, 로터 어셈블리; 및 상기 로터 어셈블리 내부에 배치되는, 스테이터 어셈블리;를 포함하되, 상기 제1확경부는, 상기 제1유통구 주위로 유수의 부가적 흐름을 조성하는 하나 이상의 제1보조유통구; 및 상기 제1보조유통구를 개폐시키는 하나 이상의 제1플랩;을 포함하고, 상기 제2확경부는, 상기 제2유통구 주위로 유수의 부가적 흐름을 조성하는 하나 이상의 제2보조유통구; 및 상기 제2보조유통구를 개폐시키는 제2플랩;을 포함하며, 상기 제1플랩 및 상기 제2플랩은, 유수의 흐름방향에 따라 어느 하나가 닫힘 방향으로 외력을 받고, 다른 하나가 열림 방향으로 외력을 받도록 형성된, 덕트형 수중터빈장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수상에 설치되는 풍력발전기; 및 상기의 덕트형 수중터빈장치;를 포함하되, 상기 풍력발전기는, 설치면에 고정된 복수의 파일을 구비하고, 타워 하부를 지지하는 지지구조를 구비하며, 상기 덕트형 수중터빈장치는, 상기 지지구조에 상하 이동 가능하도록 설치되어, 수면 위로 상승되거나 수중으로 하강 가능하도록 형성된, 복합 풍력발전기가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 덕트형 수중터빈장치는 유수의 흐름방향에 따라 개폐 작동되는 제1, 2플랩을 구비함으로써, 덕트 바디 내 유속이나 유량을 증대시킬 수 있으며, 이를 통해 발전효율 또는 발전량을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 덕트형 수중터빈장치는 덕트 바디 내부에 로터 어셈블리가 배치되고, 로터 바디 내부에 스테이터 어셈블리가 배치되어 발전수단이 장치 내 일체화된 구조를 가지고 있다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 덕트형 수중터빈장치는 일종의 모듈화된 형태로 설치작업이 용이한 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 덕트형 수중터빈장치는 양단이 대칭적인 구조를 가지고 있어 제1방향 또는 제2방향의 유수 흐름에 각각 대응되어 적절한 발전성능을 구현할 수 있다. 특히, 이와 같은 특징은 유수의 유동방향이 일정하게 변경되는 환경에서 보다 적절하게 활용될 수 있으며, 예컨대, 본 발명의 실시예들에 따른 덕트형 수중터빈장치가 조력발전, 조류발전 등에 적용되는 경우, 양 방향의 유수 흐름에 적절히 대응할 수 있게 한다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 복합 풍력발전기는 수상의 풍력발전기와 함께 수중에 덕트형 수중터빈장치가 구비되어 풍력 및 유수의 흐름에 의해 발전이 이뤄질 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예들에 따른 복합 풍력발전기는 덕트형 수중터빈장치가 풍력발전기의 지지구조에 상하 이동 가능하게 설치됨으로써, 설치나 유지 관리상의 이점을 가져올 수 있으며, 수심의 변동 등에 보다 적절히 대응할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 수중터빈장치를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 덕트형 수중터빈장치에 있어서 제1플랩이 개방된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 덕트형 수중터빈장치의 종단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 덕트형 수중터빈장치의 횡단면도이다.
도 5는 도 3 및 4에 도시된 스테이터 어셈블리의 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 덕트형 수중터빈장치의 작동도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 풍력발전기를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 복합 풍력발전기에 있어서 덕트형 수중터빈장치의 이동을 보여주는 작동도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 또한, 이하의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 덕트형 수중터빈장치(1)를 보여주는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 덕트형 수중터빈장치(이하, '수중터빈장치(1)'로 지칭함)는 덕트 어셈블리(11)를 포함할 수 있다.
덕트 어셈블리(11)는 내부 유로를 구비하고 유수의 흐름방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 덕트 어셈블리(11)의 길이방향 일단과 타단은 각각 개구되어 있으며, 유수는 일단을 통해 덕트 어셈블리(11) 내부로 유입되어 타단을 통해 덕트 어셈블리(11) 외부로 유출될 수 있다.
도 1에서서는 유수의 흐름방향을 제1방향(F1)으로 예시하고 있으며, 이에 따르면 유수는 덕트 어셈블리(11)의 우측단으로 유입되어 덕트 어셈블리(11)의 우측단으로 유출되게 된다.
편의상 이하에서는 도시된 덕트 어셈블리(11)의 좌측단을 제1단부(11a), 우측단을 제2단부(11b)로 지칭하기로 한다. 또한, 덕트 어셈블리(11)의 제1단부(11a)를 향하는 방향을 제1방향(F1), 제2단부(11b)를 향하는 방향을 제2방향(F2, 도 6 참조)으로 지칭하기로 한다.
상기에 따르면, 도 1과 같이 제1방향(F1)으로 유수의 흐름이 조성된 경우, 유수는 덕트 어셈블리(11)의 제2단부(11b)로 유입되어 제1단부(11a)로 유출될 수 있다. 단, 반대인 제2방향(F2)으로 유수의 흐름이 조성된 경우, 유수는 덕트 어셈블리(11)의 제1단부(11a)로 유입되어 제2단부(11b)로 유출될 수 있다. 편의상 이하에서는 도 1에 예시된 제1방향(F1)으로 유수가 유동되는 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
한편, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 수중에 설치되어 유수의 흐름을 전기적 에너지로 변환시키는 것이면, 다양한 용도로 적용될 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 하천 등에서 유수의 흐름을 이용하는 소수력 발전, 조수간만의 차를 이용하는 조력발전, 조류를 이용한 조류발전, 해류의 흐름을 이용하는 해류발전, 수위차에 의한 흐름을 이용하는 수력발전 등에 적용될 수 있다.
덕트 어셈블리(11)의 구성을 보다 상세히 살펴보면, 덕트 어셈블리(11)는 덕트 바디(111)를 포함할 수 있다.
덕트 바디(111)는 내부 유로를 구비하고 유수의 흐름방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 본 실시예의 경우, 대략 중공 원통형의 덕트 바디(111)를 예시하고 있다. 단, 덕트 바디(111)는 유수의 유동을 위한 내부 유로를 구비하고 유수가 유출입될 수 있는 것이면 무방하며, 반드시 예시된 형태에 한정되는 것은 아니다.
덕트 바디(111)는 제1단부(11a)를 향한 일단(도면상, 좌측단)에 제1유통구(1111a)가 구비될 수 있으며, 제2단부(11b)를 향한 반대측 단부(도면상, 우측단)에 제2유통구(1111b, 도 3 참고)가 구비될 수 있다. 예시된 바와 같이, 제1방향(F1)으로 유수가 유동될 경우, 유수는 제2유통구(1111b)를 통해 덕트 바디(111) 내부로 유입되어 제1유통구(1111a)를 통해 유출될 수 있다.
도 1에는 도시되지 않았으나, 덕트 바디(111) 내부에는 로터 어셈블리(12, 도 3 참조)가 배치될 수 있으며, 덕트 바디(111) 내부로 유입된 유수는 로터 어셈블리(12)를 회전 구동시킬 수 있다.
한편, 덕트 어셈블리(11)는 확경부(112a, 112b)를 구비할 수 있다.
확경부(112a, 112b)는 덕트 바디(111)의 양단 중 적어도 하나 이상에 구비될 수 있다. 바람직하게, 확경부(112a, 112b)는 덕트 바디(111)의 양단에 구비될 수 있으며, 편의상 제1유통구(1111a) 측에 구비된 확경부(112a)를 제1확경부(112a), 제2유통구(1111b) 측에 구비된 확경부(112b)를 제2확경부(112b)로 지칭키로 한다. 단, 제1, 2확경부(112a, 112b)는 상호 동일 유사하게 형성될 수 있으므로, 이하에서는 제1확경부(112a)를 중심으로 설명하도록 한다.
제1확경부(112a)는 덕트 바디(111)의 일단(도면상, 좌측단)으로부터 제1방향(F1)으로 연장 형성되되, 단부(도면상, 좌측단)로 갈수록 반경이 점차 커지는 형태로 형성될 수 있다. 다시 말하면, 제1확경부(112a)는 제1유통구(1111a) 또는 덕트 바디(111)에 인접한 일단(도면상, 우측단)의 반경보다 반대측 단부(도면상, 좌측단)의 반경이 더 크게 형성되어 일종의 깔대기와 유사한 형태를 이룰 수 있다. 이와 같은 형상의 제1확경부(112a)는 유수를 가속시키는 효과를 가져올 수 있으며, 이러한 유수의 가속은 덕트 바디(111) 내부에서의 유속을 증가시켜 발전효율을 향상시키는데 기여할 수 있다.
제1확경부(112a)는 제1보조유통구(1121a)와, 제1보조유통구(1121a)를 개폐시키는 제1플랩(1122a)을 구비할 수 있다. 바람직하게, 제1보조유통구(1121a) 및 제1플랩(1122a)은 복수개가 구비될 수 있으며, 복수의 제1보조유통구(1121a) 및 제1플랩(1122a)은 제1확경부(112a)의 측면부를 따라 원주방향으로 이격 배치될 수 있다. 이때, 상기의 원주방향은 로터 어셈블리(12)의 회전축(R)을 중심으로 한 원주방향을 지칭한다. 본 실시예의 경우, 이와 같은 제1보조유통구(1121a) 및 제1플랩(1122a)이 제1확경부(112a)의 측면부를 따라 각 6개씩 배치된 경우를 예시하고 있다. 단, 제1보조유통구(1121a) 및 제1플랩(1122a)의 개수는 필요에 따라 증감 변동될 수 있음은 물론이다.
도 2는 도 1에 도시된 수중터빈장치(1)에 있어서 제1플랩(1122a)이 개방된 상태를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 제1플랩(1122a)은 제1보조유통구(1121a)를 개방 및 폐쇄시킬 수 있다. 즉, 제1플랩(1122a)은 제1보조유통구(1121a)를 개폐 가능하도록 제1확경부(112a)에 장착될 수 있다.
바람직하게, 제1플랩(1122a)은 제1확경부(112a)에 힌지 결합될 수 있다. 이와 같은 경우, 제1플랩(1122a)은 힌지축을 중심으로 회동되어 제1보조유통구(1121a)를 개방시키거나 폐쇄시킬 수 있다. 보다 바람직하게, 제1플랩(1122a)은 제1방향(F1) 측의 단부가 제1확경부(112a)에 힌지 결합될 수 있다. 이와 같은 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 제1플랩(1122a)이 개방된 상태에서도 회전축(R)을 중심으로 한 유수의 흐름이 방해 받지 않게 되며, 제1유통구(1111a)나 제1보조유통구(1121a)를 통한 유수의 원활한 흐름이 조성될 수 있다.
한편, 도시된 바와 같이 제1방향(F1)으로 유수가 유동될 경우, 제1플랩(1122a)은 유수의 압력에 의해 개방될 수 있다. 다시 말하면, 제1플랩(1122a)은 제1방향(F1)의 외력에 의해 개방되도록 형성될 수 있다. 반대로, 제2방향(F2)으로 유수가 유동될 경우, 제1플랩(1122a)은 유수의 압력에 의해 폐쇄될 수 있다(도 6 참조). 다시 말하면, 제1플랩(1122a)은 제2방향(F2)의 외력에 의해 폐쇄되도록 형성될 수 있다. 이와 같은 제1플랩(1122a)은 개폐 동작은 유수의 흐름방향에 따라 가속 효과 등을 증진시키는데 기여할 수 있다.
제2확경부(112b) 또한 상술한 제1확경부(112a)와 유사하게 제2보조유통구(1121b) 및 제2플랩(1122b)을 구비할 수 있다. 제2보조유통구(1121b) 및 제2플랩(1122b)은 제1보조유통구(1121a) 및 제1플랩(1122a)과 대응되도록 각각 복수개가 구비될 수 있으며, 제2플랩(1122b)은 제2확경부(112b)에 힌지 결합되어 제2보조유통구(1121b)를 개폐시킬 수 있다.
다만, 제2플랩(1122b)의 개폐 동작은 전술한 제1플랩(1122a)의 경우와 반대로 이뤄질 수 있다. 즉, 제2플랩(1122b)은 제1방향(F1)의 외력에 의해 폐쇄되고, 제2방향(F2)의 외력에 의해 개방되도록 형성될 수 있다(도 6 참조). 따라서 본 실시예의 수중터빈장치(1) 또는 덕트 어셈블리(11)는 유수의 흐름방향에 따라 제1, 2플랩(1122a, 1122b)이 선택적으로 개방되게 된다. 이는 본 실시예의 작동과 관련하여 후술하기로 한다.
한편, 제1보조유통구(1121a) 또는 제2보조유통구(1121b)는 제1플랩(1122a) 또는 제2플랩(1122b)이 개방시 덕트 바디(111)의 외측면에 일종의 부가적 흐름을 조성할 수 있다. 이러한 부가적 흐름은 제1유통구(1111a) 또는 제2유통구(1111b) 주위에서 유수의 흐름을 촉진하고 가속시키는 효과를 가져올 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 덕트 어셈블리(11)는 상기와 같은 부가적 흐름을 위해 덕트 바디(111) 외측면에 마련되는 가이드 리브(113)를 구비할 수 있다.
가이드 리브(113)는 덕트 바디(111)의 외측면에 유수의 흐름방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 또는, 가이드 리브(113)는 일단의 제1확경부(112a)로부터 타단의 제2확경부(112b)에 이르도록 덕트 바디(111)의 외측면을 따라 연장 형성될 수 있다.
가이드 리브(113)는 복수개가 구비될 수 있으며, 복수개의 가이드 리브(113)는 덕트 바디(111)의 외측면에 회전축(R)을 중심으로 한 원주방향으로 이격 배치될 수 있다. 이와 같은 경우, 덕트 바디(111)의 외측면은 복수개의 가이드 리브(113)에 의해 복수의 영역으로 나눠질 수 있다.
바람직하게, 가이드 리브(113)는 제1보조유통구(1121a) 및 제2보조유통구(1121b)와 대응되는 개수가 구비될 수 있으며, 복수개의 가이드 리브(113)는 복수개의 제1보조유통구(1121a) 및 복수개의 제2보조유통구(1121b)와 대응되도록 배치될 수 있다. 이와 같은 경우, 인접한 2개의 가이드 리브(113)에 의해 구획된 덕트 바디(111) 외측면의 일 영역은 일단이 제1보조유통구(1121a)에 연결되고, 타단이 제2보조유통구(1121b)에 연결될 수 있다. 이와 같은 배치는 덕트 바디(111) 외측면을 따라 제1보조유통구(1121a) 또는 제2보조유통구(1121b)로 유동하는 유수의 부가적 흐름을 조성할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 수중터빈장치(1)의 종단면도이며, 도 4는 도 1에 도시된 수중터빈장치(1)의 횡단면도이다.
도 3 및 4를 참조하면, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 덕트 어셈블리(11) 내부에 배치되는 로터 어셈블리(12)를 포함할 수 있다.
로터 어셈블리(12)는 덕트 바디(111) 내부에 배치될 수 있으며, 덕트 바디(111)의 길이방향 또는 유수의 흐름방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 또한, 로터 어셈블리(12)는 일단의 제1회전지지부(12a) 및 타단의 제2회전지지부(12b)에 의해 덕트 바디(111) 내 회전 가능하도록 장착 지지될 수 있다. 따라서 로터 어셈블리(12)는 덕트 바디(111) 또는 덕트 어셈블리(11)에 대해 회전축(R)을 중심으로 회전될 수 있다. 로터 어셈블리(12)의 회전 구동력은 덕트 바디(111) 내측을 유동하는 유수에 의해 제공될 수 있다.
로터 어셈블리(12)는 로터 바디(121)를 구비할 수 있다.
로터 바디(121)는 밀폐된 내부 공간을 구비하고, 덕트 바디(111) 내부에서 연장 형성될 수 있다. 로터 바디(121)의 내부 공간에는 후술할 스테이터 어셈블리(14)가 배치될 수 있다.
로터 바디(121)의 내주면에는 영구자석(122)이 장착될 수 있다. 영구자석(122)은 스테이터 어셈블리(14)의 코일유닛(141)과 전기적 상호작용을 일으켜 로터 어셈블리(12)의 회전을 전기적 에너지로 변환시키게 된다. 영구자석(122)은 복수개가 구비될 수 있으며, 복수개의 영구자석(122)은 로터 바디(121) 내주면에 원주방향으로 배치되어 하나의 영구자석 세트를 이룰 수 있다. 이와 같은 영구자석 세트는 로터 바디(121)의 길이방향을 따라 복수개가 구비될 수 있다.
로터 바디(121)는 일단의 제1회전지지부(12a) 및 타단의 제2회전지지부(12b)에 의해 덕트 바디(111)에 대해 회전 가능하도록 장착 지지될 수 있다. 제1회전지지부(12a) 또는 제2회전지지부(12b)는 후술할 제1허브(13a) 또는 제2허브(13b)에 지지될 수 있으며, 로터 바디(121) 내부 공간으로 유수가 유입되지 않도록 견고한 수밀 구조로 이뤄짐이 바람직하다.
또한, 로터 어셈블리(12)는 블레이드(123)를 구비할 수 있다.
블레이드(123)는 로터 바디(121)와 일체로 회전되도록 로터 바디(121) 외측면에 구비될 수 있다. 바람직하게, 블레이드(123)는 로터 바디(121) 외측면을 따라 나선형을 이루는 스크류형 블레이드(123)로 구성될 수 있다. 본 실시예의 경우, 로터 바디(121) 외측면에 이와 같은 스크류형 블레이드(123)가 구비된 경우를 예시하고 있다. 단, 블레이드(123)는 유수의 흐름을 로터 바디(121)의 회전력으로 전환할 수 있는 형태이면 무방하며, 상기 예시된 형태에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 로터 어셈블리(12)의 일단 또는 양단에 배치되는 허브(13a, 13b)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 허브(13a, 13b)는 로터 어셈블리(12)의 양단에 마련될 수 있으며, 편의상, 제1유통구(1111a)에 배치된 허브(13a)를 제1허브(13a), 제2유통구(1111b)에 배치된 허브(13b)를 제2허브(13b)로 지칭키로 한다.
제1허브(13a)는 로터 어셈블리(12)의 일단에 대응되도록 제1유통구(1111a)의 중앙 부위에 배치될 수 있으며, 덕트 바디(111) 외측을 향해 소정정도 돌출된 유선형의 원추형상으로 형성될 수 있다.
필요에 따라, 제1허브(13a)는 방사형으로 배치된 복수의 제1정류날개(131a)를 구비할 수 있다. 제1정류날개(131a)는 덕트 바디(111) 내부로 유입되는 유수를 소정정도 정류시켜 덕트 바디(111) 내부에서의 유동 흐름을 개선하는데 기여할 수 있다. 또한, 제1허브(13a)는 복수의 제1정류날개(131a)에 의해 제1유통구(1111a) 중앙 부위에 고정 지지될 수 있다.
제2허브(13b)는 제1허브(13a)와 유사하게 형성되어, 방사형으로 배치된 복수의 제2정류날개(131b)에 의해 제2유통구(1111b)에 장착 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 스테이터 어셈블리(14)를 포함할 수 있다.
스테이터 어셈블리(14)는 로터 바디(121) 내주면의 영구자석(122)과 간극을 가지도록 로터 바디(121)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 스테이터 어셈블리(14)는 로터 바디(121) 내에서 고정 지지되어 회전 구속되도록 형성될 수 있다. 따라서 로터 어셈블리(12)는 스테이터 어셈블리(14)에 대해 상대적으로 회전될 수 있다. 본 실시예의 경우, 스테이터 어셈블리(14)는 양단이 각각 제1허브(13a) 또는 제2허브(13b)의 내측에 장착 고정되어 있는 형태를 예시하고 있다.
도 5는 도 3 및 4에 도시된 스테이터 어셈블리(14)의 사시도이다.
도 5를 참조하면, 스테이터 어셈블리(14)는 복수의 코일유닛(141)을 구비할 수 있다. 각 코일유닛(141)은 코어(1411) 및 코어(1411)에 권취된 코일(1412)로 구성될 수 있으며, 복수개의 코일유닛(141)은 스테이터축(142)을 중심으로 원주방향 배치되어 하나의 코일유닛 세트를 구성할 수 있다. 이와 같은 코일유닛 세트는 로터 바디(121)에 마련된 영구자석 세트에 대응되도록 복수개가 스테이터축(142)을 따라 이격 배치될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 수중터빈장치(1)의 작동도이다.
도 6을 참조하면, 기본적으로 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 수중에 설치되어 유수의 흐름에 따라 로터 어셈블리(12)가 회전되며, 로터 어셈블리(12)와 스테이터 어셈블리(14)가 상호 작용되어 전기적 에너지를 생성하는 원리로 작동된다.
이때, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 유수의 흐름방향에 따라 제1플랩(1122a) 또는 제2플랩(1122b)이 선택적으로 개방되고, 덕트 바디(111) 표면에서 제1보조유통구(1121a) 또는 제2보조유통구(1121b)에 이르는 유수의 부가적 흐름이 유도됨으로써, 덕트 바디(111) 내측의 유속이나 유량을 종래 대비 증가시킬 수 있다. 이는 발전효율이나 발전량의 향상으로 이어질 수 있다.
구체적으로, 도 6의 (a)와 같이 제1방향(F1)으로 유수가 유동되는 경우, 유수는 제2유통구(1111b)를 통해 덕트 바디(111) 내부로 유입되어 덕트 바디(111) 내부의 로터 어셈블리(12)를 회전시키게 된다.
이때, 제2플랩(1122b)은 제1방향(F1)의 유수에 의해 폐쇄되는 방향으로 외력을 받기 때문에, 제2플랩(1122b)은 폐쇄 상태에 있게 된다. 따라서 제2유통구(1111b)로 유입되는 유수는 제2확경부(112b)의 내측면을 따라 흐르면서 제2유통구(1111b)로 유입될 수 있으며, 이로 인해 소정의 가속 효과가 얻어진다.
한편, 제1플랩(1122a)은 제1방향(F1)의 유수에 의해 개방되는 방향으로 외력을 받기 때문에, 상기와 같은 경우 제1플랩(1122a)은 개방될 수 있다. 따라서 덕트 바디(111)의 외측 표면을 따라 흐르는 유수는 제1보조유통구(1121a)로 유동될 수 있으며, 제1유통구(1111a) 주위에 제1방향(F1)의 부가적인 흐름을 조성하게 된다. 즉, 제1유통구(1111a) 주변에서는 덕트 바디(111) 내부 유로를 따라 제1유통구(1111a)로 유출되는 유수의 흐름뿐만 아니라, 복수의 제1보조유통구(1121a)에 의해 제1유통구(1111a)의 주변에 제1방향(F1)의 부가적 흐름이 형성되게 된다. 이와 같은 부가적 흐름은 제1유통구(1111a)를 향한 일종의 흡입 압력을 형성할 수 있으며, 따라서 이로 인해 덕트 바디(111) 내부를 흐르는 유수의 유속이나 유량이 보다 증대될 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 상기와 반대방향으로 유수의 흐름이 조성될 경우에도 유사하게 동작될 수 있다. 즉, 제2방향(F2)으로 유수가 유동되는 경우, 제1플랩(1122a)은 유수의 압력에 의해 폐쇄되고, 제2플랩(1122b)은 유수의 압력에 의해 개방될 수 있다. 이와 같은 경우, 제1유통구(1111a)를 통해 유입된 유수는 제2유통구(1111b)를 통해 유출될 수 있으며, 제2보조유통구(1121b)를 통해 제2유통구(1111b) 주변에 제2방향(F2)으로의 부가적 흐름이 조성되어, 제2유통구(1111b)를 향한 유속이나 유량이 증대될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 유수의 흐름방향에 따라 개폐 조작되는 제1, 2플랩(1122a, 1122b)을 구비함으로써, 덕트 바디(111) 내 유속이나 유량을 증대시킬 수 있으며, 이를 통해 발전효율 또는 발전량을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 덕트 바디(111) 내부에 로터 어셈블리(12)가 배치되고, 로터 바디(121) 내부에 스테이터 어셈블리(14)가 배치되어 발전수단이 장치 내 일체화된 구조를 가지고 있다. 따라서 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 일종의 모듈화된 형태로 설치작업이 용이한 이점이 있다.
또한, 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 양단이 대칭적인 구조를 가지고 있어 제1방향(F1) 또는 제2방향(F2)의 유수 흐름에 각각 대응되어 적절한 발전성능을 구현할 수 있다. 이와 같은 특성은 유수의 유동방향이 변경되는 환경에서 보다 적절하게 기능할 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 수중터빈장치(1)가 조력발전, 조류발전 등에 적용되는 경우, 수중터빈장치(1)는 양 방향의 유수 흐름에 적절히 대응할 수 있다.
단, 필요에 따라 본 실시예의 수중터빈장치(1)는 일 방향의 유수 흐름을 통해서 전력을 생산하는 용도나 기능으로도 사용될 수 있음은 물론이다. 단, 이와 같은 경우, 수중터빈장치(1)는 반드시 대칭적인 구조가 요구되지 않으며, 제1확경부(112a) 및 이에 관련된 구성 또는, 제2확경부(112b) 및 이에 관련된 구성 중 어느 하나가 생략될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 풍력발전기(2)를 보여주는 사시도이다.
필요에 따라, 전술한 실시예의 수중터빈장치(1)는 이종(異種)의 발전수단과 조합될 수 있다. 도 7의 경우, 전술한 실시예의 수중터빈장치(1)를 도면부호 '22'로 표시하고 있으며, 이와 같은 수중터빈장치(22)가 풍력발전기(21)와 조합된 복합 풍력발전기(2)를 예시하고 있다.
도 7을 참조하면, 복합 풍력발전기(2)는 풍력발전기(21)를 포함할 수 있다.
풍력발전기(21)는 타워(211), 블레이드(212) 및 너셀(213)을 구비할 수 있으며, 풍압에 의한 블레이드(212)의 회전을 너셀(213) 내부의 발전수단을 통해 전기적 에너지로 변환시키도록 형성될 수 있다. 이와 같은 타워(211), 블레이드(212) 및 너셀(213)의 구성은 종래 공지된 풍력발전기의 각 구성과 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다.
바람직하게, 풍력발전기(21)는 수상 또는 해상에 설치될 수 있다. 이는 전술한 수중터빈장치(22)와의 조합을 위함이다. 수상 또는 해상으로의 설치를 위해, 풍력발전기(21)는 타워(211) 하부을 지지하는 지지구조(214)를 포함할 수 있다. 지지구조(214)는 부유식 지지수단을 배제하지는 않으나, 바람직하게는 복수의 파일(2141)을 구비한 고정식 지지수단으로 구비될 수 있다. 예컨대, 풍력발전기(21)가 해상에 설치되는 경우, 복수의 파일(2141)은 해저면에 파일링되어 상부의 타워(211) 등을 고정 지지할 수 있다. 특히, 이와 같은 고정식의 지지구조(214)는 조류 등에 따른 유수의 흐름을 수중터빈장치(22)로 제공하는데 유리한 이점이 있다.
한편, 본 실시예의 복합 풍력발전기(2)는 수중터빈장치(22)를 포함할 수 있다.
수중터빈장치(22)는 전술한 바와 동일 또는 유사하게 형성될 수 있으며, 지지구조(214)에 설치되어 수중에 배치될 수 있다. 이와 같은 수중터빈장치(22)는 풍력발전기(21)와 별개로 조류 등 수중의 유수 흐름에 따라 전력을 생산하게 된다.
바람직하게, 수중터빈장치(22)는 지지구조(214)를 따라 상하로 이동 가능하도록 형성될 수 있다. 수중터빈장치(22)의 상하 이동은 잭-업 구조 등 공지된 다양한 방식에 의해 구현될 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 복합 풍력발전기(2)에 있어서 수중터빈장치(22)의 이동을 보여주는 작동도이다.
도 8과 같은 수중터빈장치(22)의 상하 이동은 발전효율이나 유지 관리에 이점을 가져올 수 있다. 즉, 설치환경의 수심에 따라 수중터빈장치(22)의 상하 위치가 조절되어 수중터빈장치(22)로 충분한 유량이 제공될 수 있다. 또한, 동일한 설치위치에서 운용환경에 따라 수중터빈장치(22)의 위치를 조절할 수도 있다. 예컨대, 조수간만의 차가 있는 해상환경에 설치된 경우, 간조나 만조의 주기에 따라 수중터빈장치(22)의 위치를 조절함으로써, 발전에 사용 가능한 유량을 확보할 수 있다. 이는 수중터빈장치(22)의 발전효율이나 발전량 증가로 이어질 수 있다.
또한, 수중터빈장치(22)의 상하 이동은 수중터빈장치(22)의 설치나 유지 관리에도 이점을 가져올 수 있다. 즉, 수중터빈장치(22)를 지지구조(214) 상부로 이동시켜 수면 위로 노출시킴으로써, 수중터빈장치(22)의 보수 점검 등을 보다 용이하게 수행할 수 있으며, 설치시에도 수면 위 노출된 위치에서 작업이 가능하게 된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1: 덕트형 수중터빈장치 11: 덕트 어셈블리
111: 덕트 바디 112a, 112b: 제1, 2확경부
113: 가이드 리브 12: 로터 어셈블리
121: 로터 바디 122: 영구자석
123: 블레이드 13a, 13b: 제1, 2허브
131a, 131b: 제1, 2정류날개 14: 스테이터 어셈블리
141: 코일유닛

Claims (4)

  1. 유수의 흐름방향으로 연장 형성되어 일단의 제1유통구(1111a)와 타단의 제2유통구(1111b)를 구비하는 덕트 바디(111), 상기 덕트 바디(111) 일단에 형성된 제1확경부(112a) 및, 상기 덕트 바디(111) 타단에 형성된 제2확경부(112b)를 구비하는, 덕트 어셈블리(11);
    상기 덕트 바디(111) 내부에 배치되어 상기 덕트 바디(111)에 대해 회전 가능하도록 형성되는, 로터 어셈블리(12); 및
    상기 로터 어셈블리(12) 내부에 배치되는, 스테이터 어셈블리(14);를 포함하되,
    상기 제1확경부(112a)는,
    상기 로터 어셈블리(12)의 회전축(R)을 중심으로 복수개가 원주방향 이격 배치되어, 상기 제1유통구(1111a) 주위로 유수의 부가적 흐름을 조성하는, 제1보조유통구(1121a); 및
    상기 제1보조유통구(1121a)를 개폐시키는, 제1플랩(1122a);을 포함하고,
    상기 제2확경부(112b)는,
    상기 회전축(R)을 중심으로 복수개가 원주방향 이격 배치되어, 상기 제2유통구(1111b) 주위로 유수의 부가적 흐름을 조성하는, 제2보조유통구(1121b); 및
    상기 제2보조유통구(1121b)를 개폐시키는, 제2플랩(1122b);를 포함하며,
    상기 제1플랩(1122a)은,
    제1방향(F1)의 유수 흐름에 의해 열림 방향으로 외력을 받고, 상기 제1방향(F1)의 반대인 제2방향(F2)의 유수 흐름에 의해 닫힘 방향으로 외력을 받도록 형성되고,
    상기 제2플랩(1122b)은,
    상기 제1방향(F1)의 유수 흐름에 의해 닫힘 방향으로 외력을 받고, 상기 제2방향(F2)의 유수 흐름에 의해 열림 방향으로 외력을 받도록 형성된, 덕트형 수중터빈장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 덕트 어셈블리(11)는,
    상기 덕트 바디(111)의 외측면에 유수의 흐름방향을 따라 연장 형성되되 복수개가 상기 회전축(R)을 중심으로 원주방향 이격 배치되는 가이드 리브(113)를 구비하고,
    상기 로터 어셈블리(12)는,
    외측 표면을 따라 나선형을 이루는 스크류형의 블레이드(123)가 구비되되, 내부에 밀폐된 공간을 가지도록 형성되어 내주면에 하나 이상의 영구자석(122)이 구비되며,
    상기 로터 어셈블리(12)의 내부에 배치되어 상기 영구자석(122)과 전기적 상호 작용을 일으키는 하나 이상의 코일유닛(141)을 구비하는, 스테이터 어셈블리(14);를 더 포함하는, 덕트형 수중터빈장치.
  3. 삭제
  4. 수상에 설치되는 풍력발전기(21); 및
    청구항 1 및 2 중 어느 한 항의 덕트형 수중터빈장치(22);를 포함하되,
    상기 풍력발전기(21)는,
    설치면에 고정된 복수의 파일(2141)을 구비하고, 타워(211) 하부를 지지하는 지지구조(214)를 구비하며,
    상기 덕트형 수중터빈장치(22)는,
    상기 지지구조(214)에 상하 이동 가능하도록 설치되어, 수면 위로 상승되거나 수중으로 하강 가능하도록 형성된, 복합 풍력발전기.
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