KR101944738B1 - 해류발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해류가 너무 강할 때 임펠러가 손상되는 것을 방지할 수 있는 구성을 가지는 해류발전장치에 관한 것이다. 그의 구성은; 해류에 의해 해수면에 대하여 수직을 이루는 축을 중심으로 회전구동하면서 발전을 일으키는 터빈; 상기 터빈의 주위에 해저면에 고정 설치되는 것으로서 해류로 하여금 상기 터빈이 일방향으로 회전되게끔 가이드하기 위한 가이드벽체; 상기 가이드벽체에 부딪히는 해류의 힘을 완화하기 위하여 상기 가이드벽체 상에 마련되는 것으로서 해류가 통과되도록 하는 홈 또는 구멍 형태의 게이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

해류발전장치{Current Power Generation System}

본 발명은 발전장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 풍력발전장치의 원리를 응용한 것으로서 발전효율을 높이고 임펠러가 손상되는 것을 방지할 수 있는 구성을 가지는 해류발전장치에 관한 것이다.

피요르드식 해안을 갖고 있는 지역에서는 조수간만의 차가 크다. 이 조수간만의 차이를 이용한 발전이 조력발전이다. 한편 주로 조류에 의해 만들어지는 해수의 흐름을 이용하여 터빈을 가동하는 방식의 발전은 조류발전이다. 조류발전은 방파제 등의 설치가 필요하지 않으며 조수간만의 차가 없더라도 조류가 있는 곳이라면 어디든 설치할 수 있다는 특성을 가진다. 조류발전보다는 좀 더 넓은 의미로 해수의 흐름 자체를 이용하는 것을 이하에서는 해류발전이라 한다.

해류발전 또는 조류발전시스템에 있어서, 설치지형, 수온, 계절, 해류, 기후 등 여러 이유로 조류의 흐름에 변화가 심한데, 이러한 조류의 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 터빈의 구조가 필요로 한다.

대한민국 특허출원 제10-2010-0106780호는 분리형 조류발전 로터 블레이드는 블레이드 몸체부를 블록형태의 복수개로 분할하여 조립함으로써, 블레이드의 대량 생산이 가능하고, 성형성이 우수하게 되며, 블레이드 몸체부를 블록화 함으로써 블레이드의 제조 및 보수 시 비용과 시간을 절감할 수 있고, 블레이드 블록 사이에 충격흡수부재를 구비하여 돌발적인 충격력에 대한 충격을 흡수하여, 블레이드가 파손되는 것을 방지할 수 있는 구성을 제안한다.

그리고 설치 및 유지보수의 용이성 때문에 부유식 발전시스템도 이용되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허출원 제10-2014-0107038호가 그러하다. 그러나 아무래도 부유식 조류발전장치는 파도의 일렁임에 의한 영향을 받게 됨으로써 조류의 힘을 100% 이용하기가 어려우며 부유하지 않게끔 해수면 위에 고정시키기가 어렵다는 문제가 있다. 폭풍우에도 견딜 수 있게 해야 하기 때문이다.

그리고 종래의 조류발전시스템은 일반적으로 조류의 방향이 변화하는 것에 대한 대응책이 없거나, 있어도 너무 복잡하여 설치비용의 증가가 크다는 문제가 있었다.

대한민국 특허출원 제10-2010-0106780호 대한민국 특허출원 제10-2014-0107038호

위와 같은 문제에 대한 본 발명의 기본적인 목적은 풍력발전기의 원리을 응용한 것으로서, 태풍, 해일 등에 의해 조류의 세기가 심하게 변화되는 경우에도 터빈 내지 그의 블레이드를 충격으로부터 보호할 수 있는 방어수단을 가지며 발전효율을 높일 수 있는 해류발전장치를 제공하는 것에 있다. 또한 조류의 방향이 유동적인 경우에도 똑같은 수준으로 발전을 일으킬 수 있는 해류발전장치를 제공하는 것에 목적이 있다.

위와 같은 목적은, 해류에 의해 해수면에 대하여 수직을 이루는 축을 중심으로 회전구동하면서 발전을 일으키는 터빈;

상기 터빈의 주위에 해저면에 고정 설치되는 것으로서 해류로 하여금 상기 터빈이 일방향으로 회전되게끔 가이드하기 위한 가이드벽체;

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 해류발전장치에 의해 달성된다.

본 발명의 특징에 의하면, 상기 가이드벽체에 부딪히는 해류의 힘을 완화하기 위하여 상기 가이드벽체 상에 마련되는 것으로서 해류가 통과되도록 하는 홈 또는 구멍 형태의 게이트를 포함하며;

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 게이트에는 상기 게이트를 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 댐퍼판이 설치되어 있으며;

상기 댐퍼판은 수동 또는 수압에 의해 자동으로 작동하는 댐퍼개폐장치에 의해 개방될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 탄성력에 의해 상기 게이트에 지지됨으로써 해류의 세기가 탄성력보다 작을 때에는 상기 게이트가 닫혀있게 되고, 해류의 세기가 탄성력보다 크게 될 때 상기 게이트를 개방할 수 있도록 하는 댐퍼판이 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 가이드벽체는 상기 터빈을 중심으로 원주방향을 따라 복수 개가 설치되며; 상기 게이트는 상기 가이드벽체 중 일부 또는 전부에 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 가이드벽체는;

상기 터빈을 역회전시키려는 지점으로 유입되는 해류의 방향을 정회전시키려는 방향으로 유도하기 위하여 터빈의 전방에 해류에 대하여 경사진 방향으로 설치되는 제1가이드벽체와;

상기 터빈의 주변을 스쳐지나감으로써 터빈의 회전력 증강에 도움을 주지 못하는 해류를 상기 터빈을 정방향 회전시키기 위한 해류가 되도록 안내하기 위하여 상기 터빈의 전방 측부에 설치되는 제2가이드벽체를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 가이드벽체의 하단에 고정되는 것으로서, 파일(pile)과 같은 앵커수단에 의해 해저면에 고정 설치되는 베이스프레임; 상기 가이드벽체의 상단에 설치되는 루프프레임; 상기 루프프레임 위에 설치되는 매쉬망 형태의 작업발판; 을 포함할 수 있다.

위와 같은 구성에 의하면, 풍력발전과 유사하게끔 터빈의 주변을 흐르는 해류를 터빈을 향해 집중시키는 한편, 터빈의 정회전에 악영향을 주는 해류를 차단하거나 좋은 영향을 미치는 해류로 변환시킴으로써 터빈의 발전효율을 높일 수 있는 해류발전시스템이 제공된다. 또한 태풍이나 해일 등 지나치게 강한 해류가 밀어닥치는 경우에 가이드벽체를 부분 개방함으로써 가이드벽체 및 터빈을 보호할 수 있는 완충기능을 갖는 해류발전장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 완충기능을 갖는 해류발전장치의 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 완충기능을 갖는 해류발전장치의 평면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 완충기능을 갖는 해류발전장치의 작용상태를 도시하는 평면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 완충기능을 갖는 해류발전장치의 가이드벽체의 설치구조를 도시하는 개략 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 완충기능을 갖는 해류발전장치의 가이드벽체의 평단면도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 완충기능을 갖는 해류발전장치의 가이드벽체의 개략 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가이드벽체구조물의 사시도이고, 도 9는 설치상태를 도시하는 해류발전장치의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 3을 기본적으로 참조하되 필요한 곳에서 다른 도면을 인용하면서 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 완충기능을 갖는 해류발전장치는 해류를 이용하여 발전을 일으키는 시스템으로서 기본적으로 터빈(1)과 가이드벽체(3)를 포함한다. 해류라 함은 조류를 포함하는 것으로서 다양한 원인에 의해 발생하는 해수의 흐름을 말한다. 그러므로 해류발전장치는 조류를 이용한 조력발전장치와 조력을 이용한 조석발전장치를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

터빈(1)은 해류에 의해 해수면에 대하여 수직을 이루는 축(V)을 중심으로 회전구동하면서 발전을 일으키는 발전유닛이다. 터빈(1)은 기본적으로 발전기본체(5) 및 로터블레이드(7)를 포함한다. 도시된 바에 의하면 터빈(1)은 유체의 흐름방향과 터빈(1)의 회전축 방향이 직각을 이루는 반경류 터빈 (radial flow turbine, 半徑流)으로 되어 있다. 로터블레이드(7)의 개수 및 형태는 매우 다양할 수 있다. 로터 블레이드(7)의 만곡도, 소재 등도 해류에 적합한 형태로 설계될 수 있다.

가이드벽체(3)는 터빈(1)의 주변 해저면에 고정 설치된다. 가이드벽체(3)는 해류로 하여금 터빈(1)이 발전을 일으킬 수 있는 방향(R. 이하, 정방향이라 한다)으로 회전되게끔 가이드하기 위한 것이다. 가이드벽체(3)는 소정의 앵커수단에 의해 해저면에 단단히 고정 설치된다. 이 가이드벽체(3)의 설치구조에 대해서는 후술하기로 한다. 우선 가이드벽체(3)의 구성 및 작용에 대한 설명을 먼저 하기로 한다.

가이드벽체(3)는 터빈(1)을 중심으로 원주방향을 따라 복수 개가 설치될 수 있다. 가이드벽체(3)는 제1,2가이드벽체(3a,3b)를 포함할 수 있다. 제1가이드벽체(3a)는 터빈(1)을 역회전시키려는 지점으로 유입되는 해류(F1)의 방향을 정회전시키려는 방향으로 유도하기 위하여 터빈(1)의 전방에 기본 해류(F)에 대하여 경사진 방향으로 설치되는 것이다. 제2가이드벽체(3b)는 터빈(1)의 주변을 스쳐지나감으로써 터빈의 회전력 증강에 도움을 주지 못하는 해류(F2)로 하여금 터빈(1)을 정방향 회전시키기 위한 해류가 되도록 해류(F2)를 안내하기 위하여 터빈(1)의 전방 측부에 기본 해류(F)에 대하여 경사지게 설치되는 것이다.

제1가이드벽체(3a)의 선단(9)은 터빈(1)의 회전중심선(C) 상에 설치되거나 회전중심선(C) 보다 후방(터빈의 중심부로부터 멀어지는 방향)에 위치되도록 설계된다. 근처 지역의 물살의 세기나 설치깊이 등에 따라서 제1가이드벽체(3a)의 설치 각도(K) 및 폭(L, 또는 면적)이 조정될 수 있다.

제2가이드벽체(3b)가 기본 해류(F)의 방향에 대하여 이루는 각도(K')와 제2가이드벽체의 폭(L', 또는 면적) 역시 근처 지역의 물살의 세기나 설치깊이 등에 따라 조정될 수 있다.

한편 물살의 방향에 대하여, 본 발명의 발전장치가 조류를 이용할 경우에는 밀물 또는 썰물에 따라 해류의 방향이 바뀌게 될 것이다. 이 경우에는 도시된 것처럼 제3,4가이드벽체(3c,3d)가 더 설치될 수도 있다. 그리고 해류의 방향이 사방에서 일어날 경우에도 도시된 것처럼 제3,4가이드벽체(3c,3d)가 더 설치될 수 있다. 제3,4가이드벽체(3c,3d)는 제1,2가이드벽체와 같은 구성과 작용을 가진다. 제3,4가이드벽체(3c,3d)에 의하면 도 3에 도시된 바와 같이 기본 해류에 대해 직각으로 유입되는 해류(F3)에 의해서도 발전을 일으킬 수 있게 된다.

본 발명의 특징에 의하면, 가이드벽체(3) 중 일부 또는 전부에 가이드벽체(3)의 면적을 감소시켜 물살에 의한 충격을 완화시키기 위한 게이트(11)가 설치될 수 있다.

게이트(11)는 가이드벽체(3)에 부딪히는 해류의 힘을 완화하기 위하여 가이드벽체(3) 상에 마련되는 것으로서 해류가 통과되도록 하는 홈 또는 구멍 형태로 제공될 수 있다.

나아가 게이트(11)는 물살이 강할 경우에만 선택적으로 구비되도록 하고 정상적인 물살의 경우에는 폐쇄되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해 게이트(11)에는 게이트(11)를 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 댐퍼판(13)이 설치되어 있다. 도 2에는 게이트(11)가 개방된 상태가 도시되고 있다.

댐퍼판(13)은 해류에 의한 저항이 적도록 설치되는 것이 바람직하다. 댐퍼판(13)은 수동 또는 수압에 의해 자동으로 작동하는 댐퍼개폐장치에 의해 개방될 수 있다. 관리자로 하여금 원격에서 또는 발전시스템에 접근하여 직접 개방 또는 폐쇄하도록 할 수도 있으며, 수압센서 등을 이용하여 일정 수압이 넘어갈 때 자동적으로 개방되도록 할 수도 있다.

도 5는 수압이 스프링(15)의 탄성력을 넘을 경우 그 탄성력에 비례하는 정도로 개방되는 댐퍼판(13)이 도시된다. 댐퍼판(13)은 스프링(15)의 탄성력에 의해 게이트(11)에 지지됨으로써 해류의 세기가 탄성력보다 작을 때에는 닫혀있음으로써 게이트(11)를 폐쇄하고, 해류의 세기가 탄성력보다 크게 될 때는 힌지축(17)을 중심으로 회전하면서 게이트(11)를 개방할 수 있도록 한다. 도 5(a)는 댐퍼판(13)이 닫혀있는 상태를, 도 5(b)는 댐퍼판(13)이 물살에 의해 개방된 상태를 각각 도시한다.

본 발명의 실시예에 의하면 게이트(11)는 터빈(1)의 정방향(R) 회전을 방해하는 위치에 설치되고 있다. 그리고 게이트(11)는 터빈(1)에 인접한 위치에 세로방향으로 길게 설치된다. 이 경우 해류가 너무 강할 때 터빈(1)이 지나치게 고속으로 회전하는 것을 저지하여 터빈(1)을 보호할 수 있게 된다. 즉 게이트(11)를 통해 유입되는 방해해류(F4)가 터빈(1)의 회전력을 감쇄시키는 것이다.

게이트(11)와 댐퍼판(13)의 설치방식은 다양할 수 있다. 하나의 가이드벽체(3)에 여러 개의 댐퍼판(13)이 설치될 수도 있다. 이하, 도 6 내지 도 7을 참조하여 설명한다.

도 6에 도시된 바에 의하면 가이드벽체(3)의 폭(L)방향을 따라 복수 개의 게이트(11)와 댐퍼판(13)이 설치되고 있다.

그리고 물살의 세기가 바다의 깊이에 따라 다를 수 있다. 이와 같은 문제에 대하여는 도 7에 도시된 바와 같이 가이드벽체의 높이(H) 방향을 따라서 복수 개의 게이트(11)와 댐퍼판(13)이 설치될 수도 있다.

도 6 내지 도 7에 예시된 경우에 있어서, 댐퍼판을 개방하는 시기 내지 개방 가능한 해류의 세기가 서로 다르게 설정될 수도 있다. 즉 스프링(15)의 탄성계수를 각 댐퍼판(13) 별로 조정함으로써 적은 힘에도 개방되는 댐퍼판(13a)과 매우 큰 힘에 의해서만 개방되는 댐퍼판(13b)이 조합되도록 할 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여 가이드벽체(3)의 설치구조를 설명한다.

베이스프레임(19)은 파일(21, pile)과 같은 앵커수단에 의해 해저면에 고정 설치된다.

베이스프레임(19)은 H형강을 이용하여 가이드벽체(3)의 위치에 맞게끔 종횡으로 조립 설치된다. 가이드벽체(3)는 이 베이스프레임(19) 위에 고정 설치된다. 가이드벽체(3)의 상부에는 루프프레임(23)이 설치된다. 루프프레임(23) 역시 H형강을 이용하여 가이드벽체(3)의 위치에 맞게끔 종횡으로 조립 설치된다. 루프프레임(23) 위에는 매쉬망 형태의 작업발판(25)이 설치될 수 있다.

가이드벽체(3)의 하부구조는 물막이공사 후 베이스프레임(19)을 골조로 하여 그 위에 콘크리트 몰탈을 타설함으로써(미도시됨) 교각의 하부구조처럼 시공할 수도 있다.

이하, 도 8 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예르 설명한다. 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 가이드벽체구조물의 사시도이고, 도 9는 설치상태를 도시하는 해류발전장치의 사시도이다.

본 실시예는 가이드벽체(3)를 해저면에 설치하기 위한 박스형 가이드벽체구조물(27)이 철근콘크리트로 되어 있는 것을 제시한다. 이 가이드벽체구조물(27)은 지상에서 거푸집을 이용하여 제작된 다음 설치장소로 옮겨와 크레인으로 해저면에 올려놓은 다음 앵커수단을 이용하여 고정함으로써 설치된다. 가이드벽체구조물(27)은 바닥슬래브(29), 천장슬래브(31) 및 이들 사이에 벽처럼 일체형으로 설치되는 복수 개의 가이드벽체(3)를 포함할 수 있다. 천장슬래브(31)의 중심에는 터빈을 끼워 설치하기 위한 터빈설치공(33)이 마련된다. 천장슬래브의 상면 2곳 이상에는 크레인으로 가이드벽체구조물(27)을 옮기며 나아가 앵커수단으로 사용될 수 있도록 하기 위한 앵커링(41)이 매립 설치된다.

본 실시예에서 댐퍼판(13)과 게이트(11)는 생략되었다. 이처럼 댐퍼판(13) 등은 필요에 따라 구비될 수도 있고 생략될 수도 있다.

그리고 본 실시예에 의하면 터빈설치공(33)에 터빈(1)을 거꾸로, 즉 발전기본체(5)가 상부에 위치하고 로터블레이드(7)가 아래에 위치되도록 구성될 수 있다.

그리고 더 나아가 발전기본쳬(5)가 플랜지(5a)에 의해 천장슬래브 상면에 설치되도록 함으로써 설치 및 유지보수를 용이하게 하도록 할 수 있다.

한편 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 가이드벽체(3) 사이의 공간으로 물고기, 이물질이 유입되어 터빈에 휘말리지 못하도록 필터(35)가 가이드벽체(3) 사이의 공간에 고정 설치될 수 있다. 필터(35)는 도면에는 편의상 하나만 도시되어 있다. 필터(35)는 가이드벽체구조물(27)에 볼트 등으로 고정되는 프레임(37)과, 프레임(37)에 고정되는 것으로서 철사나 와이어를 이용한 망체(39)를 포함할 수 있다. 물론 이 필터(35)는 전술한 실시예에도 적용될 수 있는 사안이다.

위에 도시 및 설명된 구성은 본 발명의 기술적 사상에 근거한 바람직한 실시예에 지나지 아니한다. 당업자는 통상의 기술적 상식을 바탕으로 다양한 변경실시를 할 수 있을 것이지만 이는 본 발명의 보호범위에 포함될 수 있음을 주지해야 할 것이다.

1 : 터빈 3 : 가이드벽체
5 : 발전기본체 7 : 로터블레이드
11 : 게이트(gate) 13 : 댐퍼판
15 : 스프링 17 : 힌지축
19 : 베이스프레임 21 : 파일
23 : 루프프레임 25 : 작업발판
27 : 가이드벽체구조물 35 : 필터
F : (기본) 해류

Claims (6)

1. 해류에 의해 해수면에 대하여 수직을 이루는 축을 중심으로 회전구동하면서 발전을 일으키는 터빈;
   상기 터빈의 주위에 해저면에 고정 설치되는 것으로서 해류로 하여금 상기 터빈이 일방향으로 회전되게끔 가이드하기 위한 가이드벽체;
   상기 가이드벽체에 부딪히는 해류의 힘을 완화하기 위하여 상기 가이드벽체 상에 마련되는 것으로서 해류가 통과되도록 하는 홈 또는 구멍 형태로 된 게이트;를 포함하며;
   상기 게이트에는 상기 게이트를 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 하는 것으로서, 수동 또는 수압에 의해 자동으로 작동하는 댐퍼개폐장치에 의해 개방될 수 있는 댐퍼판이 설치되어 있으며;
   상기 가이드벽체는, 거푸집과 철근콘크리트에 의해 제작된 콘크리트구조물을 통해 해저면에 설치되는 것으로서, 바닥슬래브, 천장슬래브 및 복수 개의 가이드벽체를 포함하는 박스형 가이드벽체구조물에 일체형으로 마련되며;
   상기 천장슬래브의 상면 2곳 이상에는 크레인으로 상기 가이드벽체구조물을 옮기며 나아가 앵커수단으로 사용될 수 있도록 하기 위한 앵커링(41)이 매립 설치되며;
   상기 터빈의 로터블레이드는 상기 천장슬래브의 중심에 마련되는 터빈설치공(33)에 거꾸로 끼워져 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 해류발전장치
2. 제1항에 있어서,
   상기 가이드벽체 사이의 공간으로 물고기, 이물질이 유입되어 터빈에 휘말리지 못하도록 필터(35)가 가이드벽체 사이의 공간에 고정 설치되되;
   상기 필터(35)는 상기 가이드벽체구조물에 볼트로 고정되는 프레임(37)과, 상기 프레임(37)에 고정되는 것으로서 철사나 와이어를 이용한 망체(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 해류발전장치
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 게이트에는 탄성력에 의해 상기 게이트에 지지됨으로써 해류의 세기가 탄성력보다 작을 때에는 상기 게이트가 닫혀있게 되고, 해류의 세기가 탄성력보다 크게 될 때 상기 게이트를 개방할 수 있도록 하는 댐퍼판이 설치되는 것을 특징으로 하는 해류발전장치
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 가이드벽체는;
   상기 터빈을 역회전시키려는 지점으로 유입되는 해류의 방향을 정회전시키려는 방향으로 유도하기 위하여 터빈의 전방에 해류에 대하여 경사진 방향으로 설치되는 제1가이드벽체와;
   상기 터빈의 주변을 스쳐지나감으로써 터빈의 회전력 증강에 도움을 주지 못하는 해류를 상기 터빈을 정방향 회전시키기 위한 해류가 되도록 안내하기 위하여 상기 터빈의 전방 측부에 설치되는 제2가이드벽체를 포함하는 것을 특징으로 하는 해류발전장치
   
   
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