KR101970637B1 - 부력을 이용한 에너지 회수장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부력을 이용한 에너지 회수장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 액체가 저장된 수조에 다수의 부력통을 장착한 체인을 설치하여 부력에 의해 체인을 회전시켜 발전이 이루어지도록 하되, 화력발전소나 열병합발전소와 같이 연소열을 이용하는 발전소에서 생산되는 스팀형태로 기체를 공급받아 부력을 제공하고, 수조를 가열하거나 비중차를 이용한 부력증가로 에너지를 회수하는 에너지 회수장치에 관한 것이다.

Description

부력을 이용한 에너지 회수장치{Energy recovery Apparatus using buoyancy}
본 발명은 부력을 이용한 에너지 회수장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 액체가 저장된 수조에 다수의 부력통을 장착한 체인을 설치하여 부력에 의해 체인을 회전시켜 발전이 이루어지도록 하되, 화력발전소나 열병합발전소와 같이 연소열을 이용하는 발전소에서 생산되는 스팀형태로 기체를 공급받아 부력을 제공하고, 수조를 가열하거나 비중차를 이용한 부력증가로 에너지를 회수하는 에너지 회수장치에 관한 것이다.
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현재 세계적으로 활용되고 있는 발전소로는 각종 화력발전소, 원자력발전소, 수력발전소, 풍력발전소, 태양열발전소, 조력발전소, 지열발전소 등을 열거할 수 있다.
그러나, 위의 열거된 발전소들은 화석연료의 고갈과 지구 환경변화 등 심각한 외적부담을 갖고 있으며, 풍력, 조력, 태양열, 지열 등을 이용하는 발전소는 경제성과 효율에서 상당한 문제점이 있으며, 또한 환경조건의 제약을 많이 받아 경제성에 합당한 설치장소를 찾기에 상당한 애로사항이 있다.
한국공개특허 특1991-0010799호(1991.06.29.공개; 이하 '선행문헌1'이라 함)은 공기부력발전기를 제시하였다. 선행문헌1은 액체에 공기를 공급하여 부력을 이용한 부력에 의한 발전방식을 제시하였다. 상기 선행문헌1은 단순히 액체에 공기를 공급해 공기부력만을 이용하기 때문에 발생되는 부력이 약하여 발전효율이 낮다.
한국공개특허 10-2007-0119187호(2007.12.20.공개; 이하 '선행문헌2'이라 함)은 부력발전설비를 제시하였다. 상기 선행문헌2는, 물이 채워진 저수조와, 기체가 채워진 공을 상기 저수조 바닥에서 저수조 내부로 투입시키는 투입부와, 상기 저수조 바닥으로 투입된 공을 받아 수용하며 수면으로 상승하려는 공의 부력을 이용하여 상기 저수조의 내부에서 상하방향으로 궤도 회전하는 회전부와, 수면으로 떠오른 공을 수거하여 저수조 측부와 바닥에 형성된 이동통로를 통해 투입부까지 공을 이송하는 이송부 및, 상기 투입부 내부에 투입대기상태로 위치한 공에 상기 저수조의 바닥 수압과 같은 수두압을 적용하여 수중으로 상기 공을 투입할 수 있도록 투입부 내부의 수위 및 수압을 조절하는 수위조절부를 포함하며, 상기 회전부에는 발전기가 연결되어 상기 회전부의 회전에 의해 발전하는 것을 특징으로 한다. 상기 선행문헌2는 기체가 채워진 공을 이용하기 때문에 제공되는 기체의 량을 일정하여 제공되는 부력 또한 일정하므로 발전효율을 증가시키기 어렵다.
따라서, 동일한 기체를 사용하여 부력효율을 증대시킬 수 있는 새로운 방식에 대한 연구가 필요한 실정이다.
한국공개특허 특1991-0010799호(1991.06.29.공개) : 공기부력발전기 한국공개특허 10-2007-0119187호(207.12.20.공개) : 부력발전설비
이에 본 발명의 부력을 이용한 에너지 회수장치는,
스팀과 같이 액체가 기화하여 많은 부피의 고온고압 기체가 발생하는 경우, 이 기체를 비중이 높은 물 또는 기름과 같은 수조의 하부에 주입하여 비중차이에 의한 부력을 발생시키고 이 부력을 이용하여 에너지를 회수하여 발전을 하며, 에너지를 회수를 높여 에너지 효율을 극대화시키는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 부력을 이용한 에너지 회수장치는,
부력을 이용한 에너지 회수장치에 있어서, 물 또는 기름인 액체가 저장되도록 수직으로 형성된 수조와; 상기 수조내에서 상부와 하부에 회전가능하게 고정되고, 일축에는 발전기가 연결되어 회전에 의해 발전이 이루어지게 하는 체인기어와; 상기 체인기어를 체결된 환형태의 체인과; 상기 체인에 일정간격으로 다수 설치되어 부력발생시 일방향으로 체인을 회전시키는 부력통과; 상기 수조 하부의 일측에서 부력통으로 기체를 공급하되 상기 기체는 연소열을 이용하는 발전소에서 생산된 고온고압의 스팀으로 공급받아 제공하는 기체주입부; 부력통을 상승시킨 수조 상부에 포집된 기체를 외부로 배출시키는 기체배출관;를 포함하여 구성된다.
상기 수조에 저장된 액체는 비중을 높이기 위해 소금이 용해된 용해액을 이용할 수 있다.
또한, 상기 수조에 저장된 액체의 온도를 높이기 위해 수조 내벽에는 액체가열관이 더 설치될 수 있다.
또한, 상기 기체주입부에서 공급되는 기체는, 물의 전기분해에 의해 발생하는 산소 및 수소이거나, 카바이트(탄화칼슘)를 물과 반응시켜 발생하는 기체 또는 스팀 중 어느 하나 일 수 있다.
또한, 상기 수조는 다수개를 직렬로 연결하고, 기체이동관을 통해 전방의 수조에서 배출된 기체를 후방의 수조로 공급하여 발전에 사용되도록 할 수 있다.
또한, 후방에 설치되는 수조의 부력통 크기는 전방의 수조에 작용하는 압력과 후방 수조에 작용하는 압력의 비율에 반비례한 크기로 형성할 수 있다.
또한, 상기 수조의 기체배출관은 상기 기체배출관 상에 복수기를 설치하여 복수기를 통해 배출되는 기체를 응축시켜 음압을 발생시킨 다음 기체배출이 이루어지게 할 수 있다.
또한, 상기 수조의 기체배출관은, 상기 기체배출관 상에 히트펌프를 설치하여 히트펌프에서 열을 회수한 다음 기체를 배출시키고, 수조를 가열시키는 액체가열관은 히트펌프에 배관되어 히트펌프에서 회수된 열로 고온으로 가열되어 수조로 재공급되게 할 수 있다.
상기 해결수단에 의한 본 발명의 부력을 이용한 에너지 회수 장치는,
수조의 높이가 늘어나면 부력통이 이동하는 거리가 늘어나게 되어 부력에 의한 일의 양이 늘어나게 된다. 도면에 나타나는 방법으로 수조를 연결하면 수조의 높이를 효과적으로 늘릴 수 있다.
또한, 후방에 배치되는 수조는 압력이 줄어들게 되어 주입된 기체가 줄어든 압력에 반비례하여 부피가 늘어나게 된다. 그러므로, 후방에 배치되는 부력통은 부피가 늘어나는 비율에 맞추어 크기를 키워 부력손실을 방지해 에너지를 회수할 수 있다.
이러한 방법에 의해 기체의 부피변화를 발전 등에 사용할 수 있는 동력으로 바꿀 수 있게 되며, 효율을 극대화 할 수 있게 된다.
또한, 기체가 상승하면서 부피가 늘어날 때 온도가 떨어지면 부피가 줄어들게 됨으로 액체를 가열하여 부피가 줄어들지 않게 함으로써 더 많은 동력을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부력을 이용한 에너지 회수 장치의 구조도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다수의 수조가 직렬연결된 에너지 회수 장치의 구조도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수기가 설치된 에너지 회수 장치 구성도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프가 설치된 에너지 회수 장치 구성도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
본 발명은, 액체를 담는 수조 내부의 위/아래에 체인기어를 설치하고, 두 개의 기어를 체인으로 연결하고, 체인에 부력통을 길이방향으로 일정한 간격 배열하여, 기체주입구를 통해 주입된 기체가 부력통에 모아지고 기체를 모은 부력통의 부력에 의해 체인을 밀어올리게 하고, 체인은 체인기어를 돌리게 하고, 체인기어와 연결된 발전기가 체인기어로부터 회전 동력을 전달받아 발전기가 회전하도록 한다.
수조에 담긴 액체의 높이가 늘어나면 부력통이 이동하는 거리가 늘어나게 되어 부력에 의한 일의 양이 늘어나게 된다. 도면에 나타나는 방법같이 여러개의 수조를 옆으로 연결하면 하나의 수조를 높게 설치하기 위한 비용과 시간을 절약하면서 액체의 높이를 효과적으로 늘릴 수 있다.
또한, 후방에 배치되는 수조는 압력이 줄어들게 되어 주입된 기체가 줄어든 압력에 반비례하여 부피가 늘어나게 되어 더 많은 부력을 갖게 된다. 그러므로, 후방에 배치되는 부력통은 부피가 늘어나는 비율에 맞추어 크기를 키우거나 체인기어의 회전 속도를 높이는 방법으로 더 많은 동력을 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부력을 이용한 에너지 회수 장치의 구조도이다.
참조한 바와 같이 상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 부력을 이용한 에너지 회수장치(10)는,
액체를 담는 수조(20) 내부의 위/아래에 체인기어(30)를 설치하고, 두 개의 체인기어를 체인(40)으로 연결하고, 체인에 부력통(50)을 길이방향인 상하로 일정한 간격 배열하여, 수조 하부의 일측에 형성된 기체주입구(21)를 통해 주입된 기체가 부력통에 모아지고 기체를 모은 부력통의 부력에 의해 체인(40)을 밀어올리게 하고, 체인이 체인기어를 돌리게 하고, 체인기어(30)로부터 동력을 전달받아 발전기가 회전하도록 한다. 위로 올라간 부력통(50)에 모인 기체는 부력통이 상부에서 반대방향으로 내려가기 위해 방향이 바뀌면서 부력통에서 빠져나와 수조의 상부의 기체배출구(23)와 이에 연통된 기체배출관(25)을 통해 수조 밖으로 나가게 되고, 기체가 빠진 부력통은 체인에 의해 수조의 하부로 내려가고, 다시 하부에서 기체가 채워져 부력으로 위로 올라가는 것을 반복하면서 수조의 좌우를 상하운동 하게 된다.
상기 수조는 수직으로 길게 형성되며, 수밀한 구조로 구성되고, 일측에는 내부상황을 확인할 수 있는 투명한 투시창이 형성될 수 있다. 또한 상기 수조는 내부 액체를 일정온도 이상으로 유지시키기 위해 수조벽체 내부에 전열선 또는 온수배관을 통한 액체가열관이 설치된다. 또한, 상기 수조의 외면에는 단열재층을 형성하여 내부의 열손실을 차단 또는 최소화하는 구조로 제공될 수 있다.
또한, 부력통은 일측이 개구된 컵형태로, 개구된 단부로 기체가 유입되어 폐구된 단부측에 포집되어 폐구된 단부측 방향으로 이동되며, 내부에 다수의 격벽을 형성하여 내입된 기체를 격벽에 가두어 수조내의 액체 유동에 의해 상승되는 과정에서 기체가 부력통 외부로 배출되는 것을 최소화할 수 있다.
체인기어의 동력을 이용하는 방법은, 수조 내부에 동력이용장치(발전기 등)를 설치할 수도 있고, 체인기어와 결합된 동력전달축을 수조 밖으로 연장형성하여 수조 밖에서 동력이용장치(발전기 등)와 연결되게 설치할 수 있다. 그 외에도 다양한 방법을 적용할 수 있어서 이러한 방법들에 대해 특별히 기술하지 않는다.
도 2와 같이, 수조에 담긴 액체의 높이가 늘어나면 부력통이 이동하는 거리가 늘어나게 되어 부력에 의한 일의 양이 늘어나게 된다. 도면에 나타나는 방법같이 기체이동관(24)으로 여러개의 수조(20)를 직렬로 연결하면 하나의 수조를 높게 설치하기 위한 비용과 시간을 절약하면서 액체의 높이를 효과적으로 늘릴 수 있다.
또한 선행 수조의 상부에는 다량의 기체 포집에 의해 고압이 형성되어 기체부피가 줄어드나, 고압기체가 후행의 수조로 이동시 압력이 다소 낮아지게 되어 부피가 소량 늘어남에 따라 더 많은 부력을 갖게 된다. 따라서, 후행 수조에 배치되는 부력통은 기체의 부피가 늘어나는 비율에 맞추어 크기를 키우거나 체인기어의 회전 속도를 높이는 방법으로 더 많은 동력을 얻을 수 있게 된다.
또한, 수조 내의 액체는 물을 사용하는 방법 외에 기름 등 기화점이 고온인 액체를 사용하는 것이 유리하다. 예를 들어 주입되는 기체가 스팀인 경우, 액체의 온도가 낮으면 결로되어 부피가 급격히 줄어들게 된다. 이를 방지하기 위하여 액체의 온도를 기체의 포화온도 이상으로 높여 주는 액체가열관(22)을 설치한다. 상기 액체가열관은 수조의 바닥은 물론 각 측벽을 따라 다수 배관하여 수조 전체에서 가열이 이루어지게 할 수 있으며, 이때 수조는 단열재층을 더 형성하여 내부 온도 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 액체가열관은 고온의 액체를 순환시켜 수조를 가열시키거나, 전열선으로 구성하여 수조를 가열하게 구성할 수 있다.
또한, 수조에 넣는 액체를 기름 또는 물을 이용하며, 소금이 용해된 용해액을 사용하여 비중을 늘려 부력통의 부력을 상승시키는 방법이 적용될 수 있다.
또한, 수조 밖에서 생성시킨 기체를 수조에 주입하는 방법 외에 수조 하부에 기체를 생성시키는 장치를 설치할 수도 있다. 이 방법이 경우에 따라서는 더 효과적일 수도 있다.
또한, 체인기어와 체인을 대신하여 밸트플리와 밸트를 이용할 수도 있는 것과 같이 다양한 방법으로 부력통의 부력을 전달하여 동력을 얻을 수 있는데, 이러한 방법의 변화는 본 발명의 범주에 속한다.
또한, 부력통을 좌/우 회전시키지 않고, 한줄로 하여 같은 곳을 상/하 이동하게 하면서 부력통을 줄 또는 막대로 연결하여 상부 또는 하부에 회전기어를 설치하는 방법도 가능하다.
또한, 부력을 얻기 위한 기체로는 물에 열을 가하여 얻어지는 스팀뿐만 아니라 물의 전기분해를 통해 발생하는 수소와 산소를 이용할 수도 있고, 카바이트와 같이 화학반응에 의해 기체를 이용한 사용할 수도 있는데 이러한 방법의 변화는 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명에 따른 에너지 회수장치는, 화력발전소나 열병합발전소와 같이 연소열을 이용하는 발전소에서 생산되는 스팀을 공급받아 기체주입부를 통해 수조로 공급되는 기체로 사용할 수 있다.
이 때 도 3을 참조한 바와같이, 최후단의 수조 상부를 통해 배출되는 기체배출관(25) 라인상에는 복수기(60)를 설치하여 배출되는 스팀을 냉각응축시켜 온도를 낮춘다음 배출이 이루어지게 할 수 있다. 상기 복수기(60)는 기체배출관(25)의 압력밸브 내측에 설치되어 열교환으로 스팀을 응축시켜 감압이 이루어지게 한다. 이러한 복수기에서의 감압은 최후단 수조(20) 상부의 압력을 낮춰 이전 수조에 의한 스팀유입량을 더 증가시킬 수 있다. 따라서 증가되는 스팀량 만큼 부력을 증기시켜 회전력 증가로 발전량을 높일 수 있다.
또한, 상기 복수기(60)에서 배출되는 응축수는 응축수저장조(61)에 저장되어 수조보충수로 사용하거나 스팀생산수로 사용할 수 있다.
또한, 도 4를 참조한 바와같이 최후단의 수조(20)에서 배출되는 기체배출관(25) 라인에 히트펌프(70)를 설치하여 배출되는 스팀의 열을 회수해 수조의 액체가열관(22)으로 공급되는 가열온수를 예열시키는 열원으로 활용되게 할 수 있다.
즉, 최후단 수조(20)의 기체배출관(25)은 히트펌프(70)를 통해 스팀의 온도를 낮춰 기체와 응축수를 분리하여 배출시키고, 수조에 설치된 액체가열관(22)의 라인 일부는 히트펌프(70)를 통과하면서 열을 공급받아 가열되게 한다.
상기 액체가열관(22)은 라인자체가 히트펌프(70)로 배관되거나, 별도의 온수탱크를 구비하여 온수탱크에서 순환관을 통해 히트펌프로 배관되어 온수탱크의 저장수 온도를 상승시키고 이를 액체가열관에 직접 또는 가열후 공급되는 방식으로 배출되는 스팀의 열을 회수하여 재활용할 수 있다.
이와같이 히트펌프(70)에 의해 기체배출관(25)에서 배출되는 스팀의 열을 회수할 때에도 기체배출관은 스팀의 응축에 의해 음압이 발생된다. 이는 이전에 상술한 바와같이 최후단 수조(20)의 상부압력을 낮춰 이전 수조로부터의 스팀 유입량을 증가시켜 부력증가로 발전량을 증가시킬 수 있다.
상기 복수기(60) 및 히트펌프(70)는 다수의 수조(20)가 직렬연결된 구조에서 최후단 수조의 기체배출관(25)에 설치되거나, 단독수조의 기체배출관에 설치되어 열회수 및 응축에 의한 음압발생으로 부력을 증가시켜 발전량을 증가시킬 수 있다.
10 : 에너지 회수장치
20 : 수조
21 : 기체주입구 22 : 액체가열관
23 : 기체배출구 24 : 기체이동관
25 : 기체배출관
30 : 체인기어
40 : 체인
50 : 부력통
60 : 복수기
61 : 응축수저장조
70 : 히트펌프

Claims (8)

  1. 부력을 이용한 에너지 회수장치에 있어서,
    물 또는 기름인 액체가 저장되도록 수직으로 형성된 수조와;
    상기 수조내에서 상부와 하부에 회전가능하게 고정되고, 일축에는 발전기가 연결되어 회전에 의해 발전이 이루어지게 하는 체인기어와;
    상기 체인기어를 체결된 환형태의 체인과;
    상기 체인에 일정간격으로 다수 설치되어 부력발생시 일방향으로 체인을 회전시키는 부력통과;
    상기 수조 하부의 일측에서 부력통으로 기체를 공급하되 상기 기체는 연소열을 이용하는 발전소에서 생산된 고온고압의 스팀으로 공급받아 제공하는 기체주입부;
    부력통을 상승시킨 수조 상부에 포집된 기체를 외부로 배출시키는 기체배출관;를 포함하여 구성되되,
    상기 수조는 다수개를 직렬로 연결하고, 기체이동관을 통해 전방의 수조에서 배출된 기체를 후방의 수조로 공급하여 발전에 사용되도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 회수장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수조에 저장된 액체는 비중을 높이기 위해 소금이 용해된 용해액을 이용하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수조에 저장된 액체의 온도를 높이기 위해 수조 내벽에는 액체가열관이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    후방에 설치되는 수조의 부력통 크기는 전방 수조에 작용하는 압력과 후방 수조에 작용하는 압력의 비율에 반비례한 크기로 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수조의 기체배출관은 상기 기체배출관 상에 복수기를 설치하여 복수기를 통해 배출되는 기체를 응축시켜 음압을 발생시킨 다음 기체배출이 이루어지게 한 것을 특징으로 하는 에너지 회수장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수조의 기체배출관은, 상기 기체배출관 상에 히트펌프를 설치하여 히트펌프에서 열을 회수한 다음 기체를 배출시키고, 수조를 가열시키는 액체가열관은 히트펌프에 배관되어 히트펌프에서 회수된 열로 고온으로 가열되어 수조로 재공급되게 한 것을 특징으로 하는 에너지 회수장치.
KR1020180033311A 2017-04-03 2018-03-22 부력을 이용한 에너지 회수장치 KR101970637B1 (ko)

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