KR101930397B1 - 조력 발전용 양수장치, 이를 이용한 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대규모 제방 건설이 필요하지 않고, 전력의 사용량에 따라 필요한 때에 발전이 가능한 조력 발전용 양수장치 및 이를 이용한 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법에 관한 것이다.
상기 조력 발전 시스템은 바다 바닥에 설치되며, 내부의 수용홈과 연통하는 입구와 출구를 가지고 있고 밀물과 썰물에 따라 상기 수용홈에 바닷물이 충전되거나 배출되도록 체적이 가변되는 가변체적 용기; 상기 가변체적 용기의 상부에 배치되고 해수에 의한 부력을 갖도록 상부에 내부 공간을 가지며, 밀물시에 상승하며 썰물시에 상기 가변체적 용기에 충진된 바닷물에 압력을 가하는 부구; 상기 가변체적 용기의 출구와 제1연결라인을 통하여 연결되는 저수조; 및 상기 저수조에 저장된 바닷물을 이용하여 발전이 이루어지는 발전기;를 포함하며, 썰물시에 상기 가변체적 용기의 하강에 따라 상기 가변체적 용기 내부의 바닷물에 인가되는 압력이 제1연결라인 내부의 수압보다 더 크게 될 때 상기 가변체적 용기 내부의 바닷물은 저수조로 양수되는 것을 특징으로 한다.

Description

조력 발전용 양수장치, 이를 이용한 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법{Pumping Apparatus for Tidal Power Generation, Tidal Power Generation System Using the Same and Pumping Method thereof}

본 발명은 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 대규모 제방 건설이 필요하지 않고, 전력의 사용량에 따라 필요한 때에 발전이 가능한 조력 발전용 양수장치, 이를 이용한 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법에 관한 것이다.

조력 발전은 조수 간만의 수위차로부터 위치에너지를 운동에너지로 바꾸어 전기에너지로 전환하는 발전방식이다.

세계적으로 조력 발전이 가능한 지역은 영불해협, 남북 아메리카, 중국, 한국 정도이며, 우리나라는 서해안에 조위차(潮位差)가 큰 지역을 가지고 있다. 예를 들어, 인천만(8.1m), 안산만(6m), 가로림만(4.7m), 천수만(4.5m) 등이 조력 발전의 후보지로 알려져 있으며, 시화호에는 이러한 조위차(조수차)를 이용하여 단류식 조력 발전장치가 설치되어 운영되고 있다.

종래에 조력발전기술은 크게 나누어 2가지로 분류할 수 있다.

첫째, 제방을 건설하고, 조수에 의해 제방 내부와 외부에 생기는 수위차를 이용하여 단방향 또는 양방향으로 발전기를 가동하여 전기를 얻는 방식이 있다.

이 방식의 문제점은 제방공사에 드는 비용이 막대하다는 점 외에, 조석이 매일 50분 가량씩 늦어지기 때문에 어느 때는 정오와 자정 무렵에 최대 수위차가 생기게 되어 최대 발전량을 얻는가 하면 어느 때는 이른 아침과 초저녁에 최대 발전 시간이 되는 경우가 생기게 된다. 다시 말해서 전력의 소요량과 관계없이 물때에 따라 전기가 생산되는 것이다.

둘째, 부구를 띄우고 조석에 따라 부침하면서 펌프를 가동하여 해수를 높은 곳으로 양수하여 필요시 발전에 이용하는 방식이다.

이 방식에서는 랙과 피니언 기어 등 기계적인 힘을 이용하여 회전력을 얻은 다음에 이 회전력으로 양수 펌프를 가동하게 되므로 효율이 낮고, 상향 및 하향 운동 시 부력과 중력을 지탱하기 위하여 지지 구조물이 거대해지는 단점이 있다.

한국 등록특허공보 제10-1029843호(특허문헌 1)에는 조위차가 있는 연안에 지반과 고정되는 실린더를 설치하고 실린더의 내부에서 승하강되는 피스톤을 바닷물 상부에 떠 있는 부력체에 연결하여 부력체가 승하강할 경우 실린더 내부의 유압으로 발전기의 터빈을 돌려 발전하는 조력발전장치를 개시하고 있다.

특허문헌 1의 조력발전장치는 조위차에 따라 피스톤을 상승시키기 위해서 대면적의 부력체가 필요하여 시설물의 크기가 커지는 문제와 임의의 시간에 발전이 이루어질 수 없는 문제가 있다.

: 한국 등록특허공보 제10-1029843호

따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 밀물 시 일정 하중을 가진 부구를 부력으로 상승시킨 다음 썰물에 하강시켜 발생하는 압력으로 바닷물을 저수조로 양수하여 임의의 시간에 발전에 이용할 수 있는 조력 발전용 양수장치, 이를 이용한 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 대규모 제방 건설이 필요하지 않고, 전력의 사용량에 따라 필요한 때에 발전이 가능한 조력 발전용 양수장치, 이를 이용한 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 부구 자중과 내부에 채운 해수의 무게가 가변체적 용기에 직접 압력으로 작용하여 양수하므로 효율이 높고, 지지구조물이 작게 소요되는 조력 발전용 양수장치, 이를 이용한 조력 발전 시스템 및 그의 양수방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 조력 발전용 양수장치는 바다 바닥에 설치되며, 내부의 수용홈과 연통하는 입구와 출구를 가지고 있고 밀물과 썰물에 따라 상기 수용홈에 바닷물이 충전되거나 배출되도록 체적이 가변되는 가변체적 용기; 상기 가변체적 용기의 상부에 배치되고 해수에 의한 부력을 갖도록 상부에 내부 공간을 가지며, 밀물시에 상승하며 썰물시에 상기 가변체적 용기에 충진된 바닷물에 압력을 가하는 부구; 및 상기 가변체적 용기의 출구와 제1연결라인을 통하여 연결되는 저수조;를 포함하며, 썰물시에 상기 가변체적 용기의 하강에 따라 상기 가변체적 용기 내부의 바닷물에 인가되는 압력이 제1연결라인 내부의 수압보다 더 크게 될 때 상기 가변체적 용기 내부의 바닷물은 저수조로 양수되는 것을 특징으로 한다.

상기 부구는 일정한 하중을 가지고 밀물과 썰물시에 상승과 하강을 반복하며, 상기 가변체적 용기는 부구의 상승시에 수용홈의 내부 용량이 증가하면서 외부의 바닷물이 수용홈으로 유입되고, 상기 부구의 하강시에 수용홈의 내부 용량이 감소하면서 내부의 바닷물이 저수조로 배출될 수 있다.

상기 가변체적 용기는, 바다 바닥에 설치되며, 상부에 바닷물이 유입되어 저장될 수 있는 수용홈을 가지고 있고, 수용홈과 연통된 입구와 출구를 갖는 바닷물 저장부; 및 상기 바닷물 저장부의 수용홈을 커버링하며, 밀물과 썰물에 따라 상기 부구가 상승 및 하강할 때 수용홈에 바닷물이 충전되거나 배출되도록 체적이 가변되는 가변형 커버;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가변체적 용기는, 바다 바닥에 설치되며, 내부와 연통된 입구와 출구를 갖는 고정지지판; 및 상기 고정지지판과 부구의 사이에 연결되며, 밀물과 썰물에 따라 상기 부구가 상승 및 하강할 때 바닷물이 충전되거나 배출되도록 체적이 가변되는 주름관;을 포함할 수 있다.

더욱이, 상기 가변체적 용기는 밀폐상태로 유지되며, 상기 가변체적 용기의 입구와 출구에 각각 설치되는 제1 및 제2 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제1밸브는 부구의 상승에 따라 가변체적 용기의 내부 용량이 증가할 때 바닷물이 유입되는 것은 허용하고 배출되는 것은 차단하며, 상기 제2밸브는 부구의 하강에 따라 가변체적 용기의 내부 용량이 감소할 때 내부에 충진된 바닷물의 배출은 허용하고 유입은 차단할 수 있다.

상기 부구는, 해수에 의한 부력을 갖도록 상부에 내부 공간을 가지며, 해수가 부구의 상단에 이를 때까지는 부구의 중력이 부력보다 더 크도록 일정한 하중을 가지는 용기부; 및 상기 용기부의 하부와 상기 가변체적 용기의 양측을 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 조력 발전용 양수장치는 상기 부구의 하부에 내부 공간과 연통하는 것을 제어하는 전자밸브를 더 포함하며, 상기 부구는 만조시에 전자밸브를 개방하여 바닷물을 내부 공간에 충진하며, 내부 공간에 바닷물 충진이 완료된 후 폐쇄상태로 설정되고, 간조시에 전자밸브를 개방하여 내부 공간에 충진된 바닷물을 배출할 수 있다.

상기 부구의 내부 공간의 높이는 평균조석차의 1/2로 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 부구는 해수가 부구의 상단에 도달할 때 부구의 부력이 부구의 중력보다 더 크도록 설정된 자체 하중을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 조력 발전용 양수장치는 상기 부구의 승강 및 하강시에 부구를 가이드하기 위한 복수의 가이드를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 조력 발전 시스템은 상기 조력 발전용 양수장치; 및 상기 조력 발전용 양수장치의 저수조에 양수된 바닷물을 이용하여 발전을 수행하는 발전기;를 포함한다.

이 경우, 상기 조력 발전용 양수장치 및 발전기를 각각 복수개 구비함에 의해 대규모 조력 발전소를 구축할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 조력 발전용 양수방법은 간조 시에 최하점에 위치한 부구의 내부를 비우는 제1단계; 밀물에 의해 해수의 수위가 상승하여 부구의 상측에 도달하는 경우 부력에 의해 부구가 상승하며, 이에 대응하여 바다 바닥에 설치된 가변체적 용기의 내부 용량이 증가하면서 내부로 바닷물이 충진되는 제2단계; 만조에 부구가 최상점에 도달하고 가변체적 용기 내부로 바닷물의 유입이 멈출 때, 부구에 설치된 밸브를 개방하여 바닷물을 부구 내부로 충만시키고 상기 밸브를 폐쇄하는 제3단계; 썰물에 의해 해수가 빠지기 시작하여, 부구의 자중과 부구 내부의 바닷물에 의해 가변체적 용기 내부의 바닷물에 미치는 압력이 가변체적 용기와 저수조를 연결하는 연결라인의 수압보다 더 커질 때 가변체적 용기 내부의 바닷물을 저수조로 양수하는 제4단계; 및 간조에 도달하여 양수 동작이 정지될 때 상기 제1단계로 리턴하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 밀물 시 일정 하중을 가진 부구를 부력으로 상승시킨 다음 썰물에 하강시켜 발생하는 압력으로 바닷물을 저수조로 양수하여 임의의 시간에 발전에 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 대규모 제방 건설이 필요하지 않고, 전력의 사용량에 따라 필요한 때에 발전이 가능하므로, 에너지 저장장치(ESS)와 같은 고가의 설비가 필요하지 않다.

더욱이, 본 발명에서는 부구 자중과 내부에 채운 해수의 무게가 가변체적 용기에 직접 압력으로 작용하여 양수하므로 효율이 높고, 지지구조물이 작게 소용된다.

본 발명은, 장치가 간단하여 설치가 용이하고, 유지비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 공해를 발생시키지 않는 친환경적인 발전장치를 제공한다.

도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 조력 발전 시스템을 나타내는 개략 단면도이다.
도 1b는 부구의 상승과 하강을 안내하는 가이드를 부구와 함께 나타낸 개략 구성도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 제1실시예에 따른 조력 발전용 양수장치의 양수 동작을 나타내는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 조력 발전 시스템을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 제2실시예에 따른 조력 발전용 양수장치의 양수 동작을 나타내는 공정도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.

본 발명의 조력 발전 시스템은 조수 간만의 차가 적어도 4m 이상인 지역에 설치되는 것이 바람직하다.

도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 조력 발전 시스템을 나타내는 개략 단면도이다.

도 1a를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 조력 발전 시스템은 조수 간만의 차(즉, 조위차)가 큰 바다에 육지와 근접한 지역에 설치되며, 크게 가변체적 용기(10), 부구(20), 저수조(30), 및 발전기(40)를 포함하고 있다.

상기 가변체적 용기(10)는 바다 바닥(1)에 견고하게 설치되며, 상부에 바닷물(3)이 유입되어 저장될 수 있는 수용홈(15)을 가지고 있고, 일측에 바닷물(3)이 유입되는 입구(17a)가 형성되고, 타측에 수용홈(15)에 유입된 바닷물(3a)이 배출되는 출구(17b)가 형성되어 있는 바닷물 저장부(11)를 구비하고 있다.

상기 입구와 출구(17a,17b)에는 각각 제1 및 제2 밸브(31,33)가 설치되어 있다. 제1밸브(31)는 부구(20)의 상승에 따라 바닷물 저장부(11)의 수용홈(15)의 내부 용량이 증가할 때 바닷물(3)이 유입되는 것은 허용하고 배출되는 것은 차단하는 역할을 한다. 제2밸브(33)는 수용홈(15)에 유입된 바닷물(3a)의 배출은 허용하고 유입은 차단하는 역할을 한다. 이에 따라 제1 및 제2 밸브(31,33)는 체크밸브를 사용할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 밸브(31,33)는 체크밸브 이외에 다른 밸브를 적용할 수 있다.

또한, 바닷물 저장부(11)의 수용홈(15)의 상부에는 부구(20)의 상승과 하강에 대응하여 형상이 변형되면서 내부 용량이 변하도록 수용홈(15)의 상부를 커버링하는 가변형 커버(13)가 설치되어 있다.

상기 부구(20)는 밀물시에 해수에 의한 부력을 갖도록 상부에 소정의 내부 공간을 가지며, 해수가 부구(20)의 상단에 이를 때까지는 부구(20)의 중력이 부력보다 더 크도록 일정한 하중을 가지는 용기부(21)와, 상기 용기부(21)의 하부와 바닷물 저장부(11)의 가변형 커버(13)의 양측을 연결하는 연결부(23)를 포함하고 있다. 상기 연결부(23)에는 용기부(21)가 일정한 하중을 갖도록 필요에 따라 웨이트(25)가 배치될 수 있다.

이 경우, 용기부(21)는 최소한의 면적에서 높은 부력을 갖도록 바닥이 평면으로 이루어지고, 측벽이 바닥으로부터 직각으로 연장 형성되는 것이 바람직하다. 용기부(21)는 사각형 또는 원형으로 이루어질 수 있으며, 다른 형상으로 이루어지는 것도 물론 가능하다.

상기 용기부(21)의 하측에는 용기부(21)의 내부로 바닷물(3)의 유입과 배출시에 사용되는 제3통로(22)가 형성되어 있으며, 제3통로(22)에는 바닷물(3)의 유입과 배출시에 통로를 개폐하기 위한 적어도 하나의 제3밸브(35)가 설치되어 있다.

제3밸브(35)는 예를 들어, 제어신호에 의해 개폐가 이루어지는 전자(電子)밸브로서, 예를 들어, 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 사용할 수 있으며, 다른 주지된 밸브를 사용할 수 있다.

제3밸브(35)는 만조시에 부구(20)가 최고점에 도달하여 상승이 멈춘 상태일 때 개방되고, 부구(20)의 내부에 바닷물(3)이 유입된 후 하강을 시작하기 전에 폐쇄되도록 제어가 이루어진다.

제3밸브(35)는 또한 간조에 도달하여 부구(20)가 최하점으로 하강한 상태일 때, 초기화할 때 개방상태로 설정되어 부구(20) 내부의 바닷물(3c)을 외부로 배출한다.

부구(20)의 연결부(23)는 간조시에 바닷물 저장부(11)의 수용홈(15)에 도달하면서 수용홈(15)에 유입된 바닷물(3a)에 압력을 가하여 바닷물(3a)을 저수조(30)로 배출한다. 따라서, 상기 연결부(23)의 하단부는 바닷물 저장부(11)의 수용홈(15)과 대응하는 형상을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 부구(20)가 밀물과 썰물에 따라 상승 및 하강을 반복할 때, 좌우로 유동되거나 태풍이나 해일에 의해 거센 파도에도 영향을 받지 않도록 도 1b에 도시된 바와 같이, 용기부(21)의 4모서리에 인접하여 배치되거나 4변에 인접하여 배치되는 복수의 가이드(25a~25d)를 구비할 수 있다.

본 발명의 조력 발전 시스템은 육지와 인접한 바다에 설치되며, 상기 저수조(30)는 해상에 설치되거나 육지에 저수지의 형태로 구성될 수 있으며, 제1연결라인(41)을 통하여 상호 연결되고, 부구(20)가 하강할 때 가변체적용기(10)에 수용된 바닷물(3a)이 상승 가능한 높이에 배치된다.

제2밸브(33)는 출구(17b)에 설치되거나 제1연결라인(41)에 설치된다.

상기 발전기(40)는 가능한 해수면과 근접한 높이에 설치되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 수차발전기를 사용할 수 있다. 발전기(40)와 저수조(30) 사이에는 제2연결라인(43)이 연결되어 있으며, 제2연결라인(43)에는 제4밸브(37)가 설치되어 있다.

제4밸브(37)는 제어신호에 의해 개폐가 이루어지는 전자(電子)밸브로서, 예를 들어, 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있으며, 다른 주지된 밸브를 사용할 수 있다.

제4밸브(37)는 발전이 필요할 때 저수조(30)에 양수된 바닷물(3b)을 발전기(40)로 공급할 때 개방상태로 설정된다.

본 발명에서 제1 및 제2 밸브(31,33)는 체크밸브를 사용하는 것이므로, 제1밸브(31)는 외부에서 가변체적 용기(10)의 내부 방향으로는 항상 개방상태이고, 그 반대방향은 항상 폐쇄상태에 있으며, 제2밸브(33)는 가변체적 용기(10)의 내부에서 외부 방향으로는 항상 개방상태이고, 그 반대방향은 항상 폐쇄상태에 있다.

단지, 가변체적 용기(10)의 주변의 해수면 상태 또는 부구(20)의 위치에 따라 제1 및 제2 밸브(31,33)는 외부에서 가변체적 용기(10)의 내부 방향 또는 가변체적 용기(10)의 내부에서 외부 방향으로 바닷물(3,3a)의 이동이 이루어지지 못하고 있는 상태를 폐쇄상태로 표현하는 것일 뿐이고, 제1 및 제2 밸브(31,33)는 어떤 전자적인 제어에 의해 상태가 변환되는 것은 아니다.

이하에 도 2a 내지 도 2i를 참고하여 본 발명의 제1실시예에 따른 조력 발전용 양수장치의 동작을 설명한다.

도 2i는 간조시의 상태를 나타내며, 부구(20)가 최저점에 있다. 또한, 이 경우, 시스템을 초기화하도록 제3밸브(35)를 개방하여 부구(20) 내부로 유입되었던 바닷물(3c)을 해수면으로 배출하는 상태로 설정된다. 나머지 밸브, 즉, 제1밸브(31), 제2밸브(33) 및 제4밸브(37)는 폐쇄상태를 유지한다.

그 후, 부구(20) 내부의 바닷물(3c)을 모두 해수면으로 배출한 경우, 제3밸브(35)는 폐쇄상태로 설정된다. 이때, 제1밸브(31)는 체크밸브이므로 항상 개방상태로 설정된다.

도 2a는 간조가 경과하여 밀물에 의해 해수가 들어오기 시작할 때를 나타낸다.

이 경우, 밀물에 의해 해수가 들어오기 시작해도 부구(20)의 중력이 부력을 이기고 있어서 뜨지 않으므로 가변체적 용기(10)의 용량도 변하지 않는다. 따라서, 부구(20)는 최저점에 머무르고 있다.

이 경우, 제1밸브(31)는 체크밸브로서 바닷물(3)이 가변체적 용기(10) 내부로 유입되는 것은 언제나 허용되나 부구(20)가 최하점에 위치하고 있어 유입이 이루어지지 못하고 있다. 이때, 제2밸브(33) 내지 제4밸브(37)는 모두 폐쇄상태를 유지한다.

도 2b는 부구(20)의 상승 시작점을 나타내고 있다.

이 상태에서는, 해수가 부구(20)의 상부까지 차오르면 부구(20)의 부력이 부구(20)의 중력을 이기고 상승하기 시작한다. 이에 따라 개방된 제1밸브(31)를 통하여 가변체적 용기(10) 내부에 바닷물(3)이 유입되기 시작한다.

이 경우, 제1밸브(31)는 개방상태, 제2밸브(33) 내지 제4밸브(37)는 모두 폐쇄상태를 유지한다. 제2밸브(33)는 체크밸브로 이루어진 것이므로, 실질적으로는 가변체적 용기(10)에 가해지는 압력이 낮아서 제2밸브(33)를 통하여 가변체적 용기(10)로부터 저수조(30)로 바닷물(3a)의 양수가 이루어지지 못하고 있음을 의미한다.

도 2c는 부구(20)가 상승 중의 상태를 나타낸다. 이 경우, 제1밸브(31)는 개방상태, 제2밸브(33) 내지 제4밸브(37)는 모두 폐쇄상태를 유지한다.

해수의 상승에 따라 부구(20)도 계속 상승하며, 가변체적 용기(10) 내부로 바닷물(3)이 계속하여 유입되고 있다.

도 2d는 만조 시의 부구(20) 상태를 나타내며, 만조에 이르면 부구(20)의 상승이 멈춘다. 이 경우, 제1밸브(31)를 통한 가변체적 용기(10) 내부로 바닷물(3)은 더 이상 유입되지는 않다.

제1밸브(31)는 실질적으로 개방상태에서 폐쇄상태로 전환되고, 제2밸브(33)는 실질적으로 폐쇄상태를 유지한다. 부구 충만을 위해 제3밸브(35)는 폐쇄상태에서 개방상태로 전환되면서 부구(20) 내부로 바닷물(3)이 유입되기 시작한다. 제4밸브(37)는 폐쇄상태를 유지한다.

이 경우, 부구(20)의 부력이 중력을 이기고 있는 상태이므로, 부구(20)는 가변체적 용기(10) 내부의 바닷물(3a)에 압력을 가해고 있지 않은 상태이다.

도 2e는 만조 시에 바닷물(3)이 부구(20)의 내부를 가득 채운 상태를 나타낸다. 이 경우, 제1 내지 제4 밸브(31,33,35,37)는 모두 폐쇄상태를 유지한다.

부구(20)가 충만하고 썰물이 시작되면 부구 주변의 해수가 줄기 시작한다. 부구(20)의 중력이 가변체적 용기(10)의 수압을 이기지 못해 정지하고 있는 상태이다.

도 2f는 썰물로 인하여 해수가 줄어서 해수면(5)이 부구(20)의 하부에 이르면서 부구(20)가 하강을 시작하는 상태를 나타낸다. 이 경우, 제2밸브(33)는 실질적으로 폐쇄상태에서 개방상태로 전환되고, 제1밸브(31), 제3 및 제4 밸브(35,37)는 모두 폐쇄상태를 유지한다.

이때 부구(20)의 중력은 부구(20) 자중에 내부 해수의 무게를 더하여 최고치에 이른다. 또한, 부구(20)의 중력이 가변체적 용기(10)의 수압을 이김에 따라 부구(20)의 하강이 시작된다. 그 결과, 부구(20)의 하강에 의해 가변체적 용기(10) 내부의 바닷물(3a)은 제1연결라인(41)을 통하여 상부의 저수조(30)로 이동하기 시작한다.

도 2g는 계속된 썰물로 인하여 해수면(5)이 낮아지는 것에 연동하여 부구(20)가 계속하여 하강하는 상태를 나타낸다. 이 경우, 제2밸브(33)는 개방상태이고, 제1밸브(31), 제3 및 제4 밸브(35,37)는 모두 폐쇄상태를 유지한다.

부구(20)가 계속 하강함에 따라 가변체적 용기(10) 내부의 바닷물(3a)은 계속하여 저수조(30)로 이동한다.

도 2h는 썰물이 끝나고 간조에 도달한 상태로서 부구(20)도 하강이 끝나고 정지된 상태에 도달한다. 이 경우, 제1 및 제2 밸브(31,33)와 제4밸브(37)는 폐쇄상태를 유지하고, 제3밸브(35)는 부구(20)의 초기화를 위해 개방상태로 설정된다.

제3밸브(35)의 개방상태에 따라 부구(20) 내부의 바닷물(3c)을 바다로 빼기 시작한다. 가변체적 용기(10) 내부의 바닷물(3a)은 이미 저수조(30)로 이동을 완료하였다.

도 2i는 부구(20)의 바닷물(3c)을 빼서 초기화 상태가 된 것을 나타낸다. 이 경우, 제1 내지 제3 밸브(31,33,35)는 폐쇄상태를 유지한다.

저수조(30)에 저장된 바닷물(3b)은 발전이 필요한 적당한 때에 제4밸브(37)를 열고 제2연결라인(43)을 통하여 발전기(40)로 보내 발전에 이용된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 조력 발전 시스템은 간조에서부터 만조를 거쳐 간조로 리턴되는 1주기 동안 가변체적 용기(10)에 유입되었던 양 만큼의 바닷물(3a)을 조수차에 대응하는 높이에 위치한 저수조(30)에 확보하게 된다.

이 경우, 저수조(30)에 바닷물(3c)을 수용할 수 있는 용량은 가변체적 용기(10)의 용량보다 더 크게 설정하는 것이 바람직하고, 저수조(30)에 저장된 바닷물(3c)을 이용하여 발전하는 발전기(40)는 필요에 따라 1대 이상으로 구비하고 시간대별로 필요한 전력량을 맞출 수 있도록 선택적으로 구동할 수 있다.

또한, 해당 지역에 필요한 발전량에 따라 다수의 단위 양수장치를 설치하여 대형화된 저수조(30) 또는 저수지에 바닷물을 양수한 후 다수의 발전기를 설치하여 대규모 조력 발전소를 건설하는 것도 가능하다.

본 발명에서는 만조와 간조시에 해수면(5)의 높이를 측정하여 제3밸브(35)의 개폐를 제어하기 위한 제1 및 제2 수위측정센서(27,29)를 부구(20)의 상부와 하부에 구비하고, 이에 기초하여 제3밸브(35)를 제어하는 것도 가능하다.

또한, 그날의 만조와 간조 시기는 이미 확보된 통계자료를 이용할 수 있으므로 미리 만조와 간조 시기 데이터를 데이터 저장장치에 저장하고, 이 데이터를 제어부에서 불러내어 제3밸브(35)를 제어하는 것도 가능하다.

이하에서는 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명의 제2실시예에 따른 조력 발전 시스템을 설명한다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 조력 발전 시스템을 나타내는 개략 단면도이고, 도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 제2실시예에 따른 조력 발전용 양수장치의 양수 동작을 나타내는 공정도이다.

제2실시예에 따른 조력 발전 시스템은 제1실시예와 비교할 때, 제1실시예의 가변체적 용기(10)는 수용홈(15)을 갖는 바닷물 저장부(11)와 수용홈(15)의 상부를 커버링하는 가변형 커버(13)로 구성된 것이나, 제2실시예의 가변체적 용기(10a)는 고정지지판(12)과 이에 설치된 원통형의 주름관(16)으로 대체한 점에서 차이가 있고 이를 제외한 부구(20), 저수조(30) 및 발전기(40)의 구성은 제1실시예와 동일하다.

또한, 도 2a 내지 도 2i에 도시된 제1실시예의 동작은 도 4a 내지 도 4i에 도시된 제2실시예의 동작과 동일하다.

따라서, 제2실시예의 설명은 제1실시예와 동일한 부분에 대하여는 동이한 부재번호를 부여하고 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 조력 발전 시스템은 가변체적 용기(10a)가 바다 바닥(1)에 고정 설치된 고정지지판(12)과 이에 설치된 원통형의 주름관(16)으로 구성되어 있다.

상기 고정지지판(12)은 바다 바닥(1)에 견고하게 설치되며, 일측에 바닷물(3)이 유입되는 입구(14a)가 형성되고, 타측에 유입된 바닷물(3a)이 배출되는 출구(14b)가 형성되어 있다. 상기 입구와 출구(14a,14b)에는 각각 체크밸브로 이루어진 제1 및 제2 밸브(31,33)가 설치되어 있다.

상기 고정지지판(12)은 상부면이 부구(20)의 하부면과 면접합되도록 평탄면으로 이루어져 있으며, 주름관(16)은 양단부가 고정지지판(12)의 상부와 부구(20)의 하부 사이에 연결되어 있다.

상기 주름관(16)은 부구(20)의 상승에 따라 내부로 유입되는 바닷물(3)을 수용할 수 있는 용량이 증가하고, 부구(20)의 하강에 따라 내부의 바닷물(3a)을 수용할 수 있는 용량이 감소하는 가변체적 용기(10a)를 구성한다.

이하에 도 4a 내지 도 4i를 참고하여 본 발명의 제2실시예에 따른 조력 발전용 양수장치의 동작을 설명한다.

도 4a(단계 1)는 간조 시를 나타낸다. 이 경우, 수위는 "0"이고. 부구(20)의 바닥 단면적이 A, 부구의 내부공간 높이 h, 중량 W이다.

밀물에 의해 수위가 점점 올라가서 도 4b(단계 2)가 될 때까지 부구(20)는 움직이지 않다가 도 4b(단계 2)의 단계에 이르러서(수위 h), 부력이 중력을 이기게 된다.

부구(20)의 벽 두께를 무시하면 부력은 (A×h)가 되고 이것은 부구(20)의 중량(W)과 같다. 즉, W = (A×h) 이다.

도 4c(단계 3)은 해수가 계속 차오르는 상태이다. 부구(20)가 떠오르는 만큼 주름관(16) 내부로 바닷물(3)이 유입된다.

도 4d(단계 4)는 만조시이다(수위 H). 주름관(16) 내부로 바닷물(3)이 유입되는 것을 멈추게 된다.

이 경우, 주름관(16)의 단면적을 A´라 하면 주름관(16) 내부에 증가한 수량을 Q´라 하면, Q´ = A´×(H­h) 가 된다.

이때 주름관(16) 내부에 수압은 걸리지 않고 있다.

도 4e(단계 5)에서 만조 수위를 유지하고 있는 동안(수위 H) 제3밸브(35)를 열면 바닷물(3)이 부구(20) 내부로 유입된다.

이때 부구(20) 안으로 유입된 해수의 양을 Q라 하면, Q = A×h = W 가 된다.

이때 주름관(16) 내부의 바닷물(3a)의 압력(P)은 P = (A/A´)×h = W/A´가 된다. 이 압력은 아직 저수조(30)에 연결된 제1연결라인(41) 내부의 수압을 이기지 못하므로 바닷물(3a)의 이동이 없다.

썰물에 의해 바닷물(3)이 빠지기 시작하여, 도 4f(단계 6)에 이르면(수위 : H­h), 주름관(16)을 누르는 하중의 크기는 부구(20)의 자중(W)과 부구(20)의 내부 바닷물(3c)의 양의 합에 이른다.

즉, W + (A×h) = 2W = 2Q 이 된다.

주름관(16) 내부의 압력(P´)은, P´= 2Q/A´ = 2(A×h)/A´= (2A/A´)×h이다.

이 압력은 저수조(30)에 연결된 제1연결라인(41) 내부의 수압을 이기고 주름관(16) 내부의 바닷물(3a)을 저수조(30)로 이동시키기 시작한다.

도 4g(단계 7)는 해수가 계속 빠지는 상태이다. 부구(20)가 내려가는 만큼 주름관(16) 내부로부터 바닷물(3a)이 저수조(30)로 밀려 올라간다.

도 4h(단계 8)는 간조시이다(수위 0). 간조시에 주름관(16) 내부의 바닷물(3a)의 이동은 멈추게 된다.

이 경우, 주름관(16) 내부에서 저수조(30)로 이동한 바닷물(3a)의 양은 Q´= A´×(H­h) 가 된다.

이때, 주름관(16) 내부의 압력(P´)은, P´= 2Q/A´= 2(A×h)/A´= 2A/A´×h를 유지하고 있다.

저수조(30) 내 수위는 (2A/A´×h)에 이르게 될 때까지 상승하게 된다.

단계 6)에서 단계 8)에 이르게 될 때까지 부구(20)가 하강하면서 한 일의 양(W_cycle)은 하기 수학식 1과 같이 계산된다.

[수학식 1]

W_cycle = 2Q×(H­h)×9.8 = 2A×h×(H­h)×9.8

이때, 부구(20)의 바닥 면적(A)과 만조시 수위(H)가 고정된 값이므로 W_cycle의 최대치는 h×(H­h)가 최대치일 때 얻어진다. 즉, h = H/2 일 때 최대치가 된다. 일반적으로 만조시 수위(H)는 매일 달라질 수 있다. 따라서, 만조시 수위(H) 대신에 만조시 수위(H)의 평균값인 평균조석차(潮汐差)를 이용하는 것도 가능하다. 따라서, h = (평균조석차)/2 이 될 수 있다.

따라서, W_cycle의 최대치는 하기 수학식 2와 같이 얻어진다.

[수학식 2]

W_cycle = 2Q×(H­H/2)×9.8 = Q×H×9.8 = A×h×H×9.8 = 4.9×A×H²

하루는 1440분이고, 조석은 1490분에 2차례 일어나게 되므로 본 발명에 의하여 하루에 얻을 수 있는 조력 에너지(W_{day )}는 하기 수학식 3과 같이 계산된다.

[수학식 3]

W_day = 4.9×A×H²×2×(1440/1490)

만일, 평균 조수차가 6m일 때, 단위 면적(1 m²)당 조력 에너지는 하기 수학식 4와 같이 얻어진다.

[수학식 4]

W_day = 4.9×1×36×2×(1440/1490) = 341

이것을 킬로와트시(KWh), 와트시(Wh)로 나타내면 W_day = 341/3600 = 0.0947 KWh = 94.7 Wh가 된다.

또한, 저수조(30)로 이동한 바닷물의 양(Q´)은 Q´= A´×(H­h), 저수조로 이동한 바닷물의 높이는 2A/A´×h 이다.

따라서, A = 1, H = 6 일 때, 이 바닷물을 내려보내서 얻는 일의 양은 하기 수학식 5로 구하여진다.

[수학식 5]

W_day = (A´×(H­h))×(2A/A´×h)×9.8×2×(1440/1490)

= H×A×9.8×h×2×(1440/1490) = 9.8×A×H²×(1440/1490) = 341

이 값은 위에서 부구(20)가 움직여서 발생한 에너지의 값과 동일함을 알 수 있다.

단계 8)에서 제3밸브(35)을 열어 부구(20) 내부의 바닷물(3c)을 내보내게 되면 도 4i(단계 9)와 같이 되며, 이는 초기 단계 1)이 되는 것을 알 수 있다.

상기한 실시예 설명에서는 본 발명의 조력발전 시스템에 가변체적 용기로서 벨로우즈 또는 밀폐 링크구조를 예시하였으나, 체적이 가변될 수 있는 구조라면 다른 용기도 채택 가능하다.

또한, 상기 실시예 설명에서는 가변체적 용기의 입구와 출구에 각각 체크밸브로 이루어진 제1 및 제2 밸브가 설치되어 있는 것을 예시하였으나, 솔레노이드 밸브와 같은 전자밸브를 사용하는 것도 가능하다.

더욱이, 시스템 내부로 바닷물을 유입하는 부분에 이물질 등을 거르기 위한 필터장치를 구비할 수 있다.

또한, 해수를 직접 가변체적 용기 내부로 유입하지 않고, 저수조에서 발전기를 거쳐 배출되는 바닷물을 모아서 제1밸브로 되돌리는 폐회로를 채용하는 것도 가능하다. 이 경우, 어패류, 조류 등의 영향을 줄이기 위한 시설 및 절차를 생략할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 조수차가 큰 지역으로서 육지로부터 전력 공급이 어려운 섬지역 등에 소규모 발전이 요구되는 장소에 적용할 수 있다. 또한, 다수의 단위 양수장치를 설치하여 대규모 조력 발전소를 구축할 수 있다.

1; 바다 바닥 3~3c: 바닷물
5: 해수면 10,10a: 가변체적 용기
11: 바닷물 저장부 13: 가변형 커버
14a,17a: 입구 14b,17b: 출구
15: 수용홈 16: 밸로우즈
20: 부구 21: 용기부
22: 제3통로 23: 연결부
25: 웨이트 25a~25d: 가이드
27,29; 수위측정센서 30: 저수조
31,33,35,37: 밸브 40: 발전기
41: 제1연결라인 43: 제2연결라인

Claims (13)

1. 바다 바닥에 설치되며, 내부의 수용홈과 연통하는 입구와 출구를 가지고 있고 밀물과 썰물에 따라 상기 수용홈에 바닷물이 충전되거나 배출되도록 체적이 가변되는 가변체적 용기;
   상기 가변체적 용기의 상부에 배치되고 해수에 의한 부력을 갖도록 상부에 내부 공간을 가지며, 밀물시에 상승하며 썰물시에 상기 가변체적 용기에 충진된 바닷물에 압력을 가하는 부구; 및
   상기 가변체적 용기의 출구와 제1연결라인을 통하여 연결되는 저수조;를 포함하며,
   상기 부구는 밀물 시에 해수가 부구의 상단에 도달할 때 부구의 부력이 부구의 중력보다 더 크도록 자체 하중을 가지고,
   썰물시에 상기 가변체적 용기의 하강에 따라 상기 가변체적 용기 내부의 바닷물에 인가되는 압력이 제1연결라인 내부의 수압보다 더 크게 될 때 상기 가변체적 용기 내부의 바닷물은 상기 저수조로 양수되는 조력 발전용 양수장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 부구는 일정한 하중을 가지고 밀물과 썰물시에 상승과 하강을 반복하며, 상기 가변체적 용기는 부구의 상승시에 수용홈의 내부 용량이 증가하면서 외부의 바닷물이 수용홈으로 유입되고, 상기 부구의 하강시에 수용홈의 내부 용량이 감소하면서 내부의 바닷물이 저수조로 배출되는 조력 발전용 양수장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가변체적 용기는,
   바다 바닥에 설치되며, 상부에 바닷물이 유입되어 저장될 수 있는 수용홈을 가지고 있고, 수용홈과 연통된 입구와 출구를 갖는 바닷물 저장부; 및
   상기 바닷물 저장부의 수용홈을 커버링하며, 밀물과 썰물에 따라 상기 부구가 상승 및 하강할 때 수용홈에 바닷물이 충전되거나 배출되도록 체적이 가변되는 가변형 커버;를 포함하는 조력 발전용 양수장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가변체적 용기는,
   바다 바닥에 설치되며, 내부와 연통된 입구와 출구를 갖는 고정지지판; 및
   상기 고정지지판과 부구의 사이에 연결되며, 밀물과 썰물에 따라 상기 부구가 상승 및 하강할 때 바닷물이 충전되거나 배출되도록 체적이 가변되는 주름관;을 포함하는 조력 발전용 양수장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 가변체적 용기는 밀폐상태로 유지되며,
   상기 가변체적 용기의 입구와 출구에 각각 설치되는 제1밸브(31) 및 제2밸브(33)를 더 포함하는 조력 발전용 양수장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1밸브는 부구의 상승에 따라 가변체적 용기의 내부 용량이 증가할 때 바닷물이 유입되는 것은 허용하고 배출되는 것은 차단하며,
   상기 제2밸브는 부구의 하강에 따라 가변체적 용기의 내부 용량이 감소할 때 내부에 충진된 바닷물의 배출은 허용하고 유입은 차단하는 조력 발전용 양수장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 부구는,
   해수에 의한 부력을 갖도록 상부에 내부 공간을 가지며, 해수가 부구의 상단에 이를 때까지는 부구의 중력이 부력보다 더 크도록 일정한 하중을 가지는 용기부; 및
   상기 용기부의 하부와 상기 가변체적 용기의 양측을 연결하는 연결부;를 포함하는 조력 발전용 양수장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 부구의 하부에 내부 공간과 연통하는 것을 제어하는 전자밸브를 더 포함하며,
   상기 부구는 만조시에 전자밸브를 개방하여 바닷물을 내부 공간에 충진하며, 내부 공간에 바닷물 충진이 완료된 후 폐쇄상태로 설정되고, 간조시에 전자밸브를 개방하여 내부 공간에 충진된 바닷물을 배출하는 조력 발전용 양수장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 부구의 내부 공간의 높이는 평균조석차의 1/2로 설정되는 조력 발전용 양수장치.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 부구의 승강 및 하강시에 부구를 가이드하기 위한 복수의 가이드를 더 포함하는 조력 발전용 양수장치.
12. 조력 발전용 양수장치; 및
    상기 조력 발전용 양수장치의 저수조에 양수된 바닷물을 이용하여 발전을 수행하는 발전기;를 포함하며,
    상기 조력 발전용 양수장치는 제1항 내지 제9항 및 제11항 중 어느 한 항에 따른 조력 발전용 양수장치인 조력 발전 시스템.
13. 간조 시에 최하점에 위치한 부구의 내부를 비우는 제1단계;
    밀물에 의해 해수의 수위가 상승하여 부구의 상측에 도달하는 경우 부력에 의해 부구가 상승하며, 바다 바닥에 설치된 가변체적 용기의 내부 용량이 증가하면서 내부로 바닷물이 충진되는 제2단계;
    만조에 도달하여 부구가 최상점에 도달하고 가변체적 용기 내부로 바닷물의 유입이 멈출 때, 부구에 설치된 밸브(35)를 개방하여 바닷물을 부구 내부로 충만시키고 상기 밸브를 폐쇄하는 제3단계;
    썰물에 의해 해수가 빠지기 시작하여, 부구의 자중과 부구 내부의 바닷물에 의해 가변체적 용기 내부의 바닷물에 미치는 압력이 가변체적 용기와 저수조를 연결하는 연결라인의 수압보다 더 커질 때 가변체적 용기 내부의 바닷물을 저수조로 양수하는 제4단계; 및
    간조에 도달하여 양수 동작이 정지될 때 상기 제1단계로 리턴하는 제5단계;를 포함하며,
    상기 부구는 밀물 시에 해수가 부구의 상단에 도달할 때 부구의 부력이 부구의 중력보다 더 크도록 자체 하중을 가지는 조력 발전용 양수방법.

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