KR102071369B1

KR102071369B1 - 풍력을 이용한 수력발전장치

Info

Publication number: KR102071369B1
Application number: KR1020180169177A
Authority: KR
Inventors: 김우열; 박창언
Original assignee: 주식회사 케이맵
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-01-30

Abstract

본 발명은 풍속을 이용하여 물을 담수할 수 있고, 풍향, 풍속, 저수량 등의 까다로운 입지조건과 무관하게 설치가 매우 자유로운 풍력을 이용한 수력발전장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 부양기체가 수용되는 적어도 하나의 챔버가 구비되고, 공기가 지날 수 있도록 관통하여 형성되는 공기이송터널이 마련되는 부양체와, 상기 부양체와 지상을 연결하여 상기 부양체의 고도를 제한하는 연결케이블과, 상기 공기이송터널의 출구단과 연결되어 상기 공기이송터널을 통과한 공기를 지상으로 이송하는 공기이송배관이 구비되는 제1 풍력발생부; 및 상기 공기이송배관과 연결되어 상기 제1 풍력발생부로부터 생성된 풍속을 내부로 유입함에 따라 내부에 저장된 물이 배출되는 제1 급수탱크와, 상기 제1 급수탱크보다 높은 위치를 유지하며 상기 제1 급수탱크로부터 배출되는 물이 내부로 유입되는 저수탱크와, 상기 저수탱크와 연결되어 상기 저수탱크에 저장된 물을 낙하시키는 낙수배관과, 상기 낙수배관의 하단부에 설치되어 낙하하는 물의 위치에너지로부터 전기에너지를 생산하는 수력발전유닛이 구비되는 수력발전부를 포함하는 특징을 개시한다.

Description

풍력을 이용한 수력발전장치{HYDRAULIC POWER GENERATOR USING WIND POWER}

본 발명은 수력발전장치에 관한 것으로, 상세하게는 풍압을 이용하여 물의 위치에너지를 높이고, 이러한 물의 위치에너지를 이용하여 전기를 생산하는 풍력을 이용한 수력발전장치에 관한 것이다.

최근 기후 변화 및 환경오염에 대비하기 위한 풍력발전, 태양광발전, 등의 신재생에너지를 이용한 발전에 높은 관심과 투자가 증가되고 있다.

그 중 풍력발전은 태양광과 달리 항시 공기의 흐름이 생기므로 다른 연료의 소비 없이 지속적인 발전이 가능하고, 부가 쓰레기나 폐기물 발생이 없으며, 온실가스를 배출하지 않는 등의 많은 장점으로 여러 대체에너지 중에서도 경쟁력이 큰 발전 방식이다.

상기한 장점에도 불구하고, 최근 풍력발전기는 풍향, 풍속, 설치환경을 고려한 까다로운 입지조건과 발전용량의 극대화를 위해 대형화되고 있는 실정이다.

이와 같이 대형화되고 있는 풍력발전기는 거대한 설비규모로 인하여 오히려 설치비용이 증가되는 문제가 있고, 지상에서 비교적 풍속이 강한 산악과 바다 주변에는 그 설치하기 어려워 설치비용이 더욱 증가되는 문제가 있다.

또한 산악이나 바다 주변에 설치되었다 하더라도 거대화로 인하여 사용 중 유지 보수에 상당한 어려움이 발생되며, 수십 미터나 되는 날개 회전에 의한 소음 발생 문제와 시각적 위화감 등 환경적으로도 부정적인 지적을 받고 있다.

한편 수력발전 역시 다른 연료의 소비 없이 물의 유동이나 위치에너지만을 가지고 지속적인 발전이 가능하고, 부가 쓰레기나 폐기물 발생이 없으며, 온실가스를 배출하지 않는 등의 장점을 가지고는 있으나, 수력발전을 위해 건설해야 하는 댐의 건설비용, 환경영향, 및 관리 때문에 재생 가능한 에너지로 여기지 않는 견해도 있다.

또한 수력발전은 지속적인 물의 흐름이 확보되지 못하는 경우에는 별도의 동력을 소비하며 하류의 물을 다시 상류로 끌어 올려야 하기 때문에 효율이 떨어지는 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0075306호(2013.07.05.공개)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 풍속을 이용하여 물을 담수할 수 있고, 풍향, 풍속, 저수량 등의 까다로운 입지조건과 무관하게 설치가 매우 자유로운 풍력을 이용한 수력발전장치를 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력을 이용한 수력발전장치는, 부양기체가 수용되는 적어도 하나의 챔버가 구비되고, 공기가 지날 수 있도록 관통하여 형성되는 공기이송터널이 마련되는 부양체와, 상기 부양체와 지상을 연결하여 상기 부양체의 고도를 제한하는 연결케이블과, 상기 공기이송터널의 출구단과 연결되어 상기 공기이송터널을 통과한 공기를 지상으로 이송하는 공기이송배관이 구비되는 제1 풍력발생부; 및 상기 공기이송배관과 연결되어 상기 제1 풍력발생부로부터 생성된 풍속을 내부로 유입함에 따라 내부에 저장된 물이 배출되는 제1 급수탱크와, 상기 제1 급수탱크보다 높은 위치를 유지하며 상기 제1 급수탱크로부터 배출되는 물이 내부로 유입되는 저수탱크와, 상기 저수탱크와 연결되어 상기 저수탱크에 저장된 물을 낙하시키는 낙수배관과, 상기 낙수배관의 하단부에 설치되어 낙하하는 물의 위치에너지로부터 전기에너지를 생산하는 수력발전유닛이 구비되는 수력발전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 공기이송터널은, 상기 부양체의 전단부에 형성되어 공기의 흐름방향으로 단면적이 점차적으로 작아지게 형성되는 공기유입부; 및 상기 공기유입부로부터 일정한 단면적을 가지며 연장하여 형성되는 풍속상승부;를 포함할 수 있다.

또한 상기 제1 풍력발생부는, 지상에 설치되어 상기 연결케이블의 길이를 조정하는 고도조정유닛;을 더 포함할 수 있다.

이때 상기 고도조정유닛은, 상기 연결케이블의 일단과 연결되는 권취드럼; 및 상기 권취드럼을 회전시킴에 따라 상기 권취드럼에 상기 연결케이블을 감거나 풀면서 상기 연결케이블의 길이를 조정하는 구동부;를 포함한 것일 수 있다.

또한 상기 공기이송배관은, 상기 공기이송터널의 출구단과 상기 제1 급수탱크 사이의 간격변화에 따라 신축 가능하도록 구성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 풍력을 이용한 수력발전장치는, 상기 제1 급수탱크로 공급되는 풍속을 측정하는 풍속감지센서; 및 상기 풍속감지센서에서 측정된 풍속을 기반으로 상기 고도조정유닛을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

이때 상기 제어부는, 상기 부양체가 제1 고도를 유지하는 일정한 시간동안 측정된 평균 풍속을 수신하고, 상기 부양체가 상기 제1 고도와 고도차를 가지는 제2 고도를 유지하는 일정한 시간동안 측정된 평균 풍속을 수신하며, 상기 제1 고도와 상기 제2 고도 중 평균 풍속이 큰 고도에 상기 부양체가 위치하도록 상기 고도조정유닛을 제어할 수 있다.

또한 상기 제1 풍력발생부는, 상기 공기이송터널을 교차하는 수직선상에서 상기 부양체의 상단 또는 하단에 결합되어, 풍압에 의해 상기 부양체를 좌우방향으로 회전시키며 상기 공기이송터널이 공기의 흐름방향과 나란하게 일치되도록 하는 수직날개;를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 제1 풍력발생부는, 상기 부양체의 좌측단 및 우측단에 결합되어, 상기 부양체의 상승양력을 발생시키는 수평날개;를 더 포함할 수도 있다.

또한 상기 수력발전부는, 상기 낙수배관과 상기 제1 급수탱크를 연결하며 상기 수력발전유닛을 통과하면서 발전에 사용된 물을 상기 제1 급수탱크로 회수시키는 회수배관;을 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 풍력을 이용한 수력발전장치는, 상기 제1 급수탱크보다 높은 위치를 유지하고, 상기 저수탱크보다 낮은 위치를 유지하는 제2 급수탱크; 및 상기 제2 급수탱크로 풍력을 공급하는 제2 풍력발생부;를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 별도의 동력원 없이 풍속을 이용하여 물의 위치에너지를 저장하고, 이러한 물의 위치에너지로부터 전기에너지를 생산할 수 있기 때문에 재생에너지 효율을 증대시킬 수 있다.

또한 본 발명은 부양식 풍력발생부를 이용하기 때문에, 큰 용량의 담수공간을 필요로 하는 수력발전의 까다로운 입지조건과 무관하게 자유로운 설치가 가능하고, 이로써 설치비용도 크게 절감할 수 있다.

또한 본 발명은 부양식 풍력발생부를 이용하여 강한 풍속을 안정적으로 도입할 수 있기 때문에, 풍향, 풍속을 고려해야 하는 까다로운 입지조건과도 무관하게 상대적으로 협소한 공간에서도 자유롭게 설치 및 관리가 가능하다.

또한 본 발명은 부양식 풍력발생부를 이용하여 고고도에 존재하는 풍속을 지상으로 효과적으로 제공함으로써, 담수 효율을 증대시킬 수 있다.

또한 본 발명은 부양체의 공기이송터널을 이용하여 풍속을 더욱 증대시킬 수 있음으로써, 담수 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

또한 본 발명은 시시각각 변화되는 풍속에 따라 최고 풍속이 유지되는 고도에 부양체를 지속적으로 위치시킬 수 있기 때문에, 풍속을 더욱 증대시킬 수 있고, 이로써 담수 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수력발전장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발생부의 부양체를 설명하기 위한 단면 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공기이송터널을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력발전장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수력발전장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발생부의 부양체를 설명하기 위한 단면 예시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력을 이용한 수력발전장치는, 풍력을 이용하여 물의 위치에너지를 생성하고, 이렇게 생성된 물의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 것으로, 제1 풍력발생부(100) 및 수력발전부(200)를 포함한다.

제1 풍력발생부(100)는, 부양체(110), 연결케이블(120), 고도조정유닛(130), 공기이송배관(140) 및 제어부를 포함할 수 있다.

부양체(110)는, 부양기체가 수용되어 공중에 부양되는 구조물로써, 강한 풍압에 대해 평형 안정성을 유지하는 한편 풍압에 수직한 양력이 증대될 수 있도록 익형의 단면 구조를 가지도록 함이 바람직하다.

부양체(110) 내부에 채워지는 부양기체는 공기보다 가벼운 기체로써, 헬륨, 수소 등이 채워질 수 있다.

부양체(110)는 적어도 하나의 챔버(111)를 포함할 수 있다. 일예로, 복수의 챔버(111)를 포함할 수 있다.

상기 복수의 챔버(111)는 부양체(110)의 전체 내부공간을 격자 구조로 구획하기 위한 것으로, 도시된 바와 같이, 복수의 챔버(111)가 구비되는 경우에는, 특정 챔버(111)의 손상으로 인하여 해당 챔버(111)에 채워진 부양기체가 소실되더라도, 다른 나머지 챔버(111)에 채워진 부양기체로부터 부양체(110)는 급작스런 추락이 차단되고, 이로써 부양체(110) 구조물의 안전성을 증대시킬 수 있다.

또한 챔버(111)는 부양체(110)의 하중을 고려하여 경량의 재질로 이루어짐이 바람직하다. 예를 들어, 알루미늄 등의 경량 금속이나 FRP 등의 연식 재질의 합성수지로 이루어질 수 있다. 상기 경량 금속으로 이루어진 경우 외부 충격으로부터 부양체(110)의 견고성을 높일 수 있고, 연식의 합성수지 재질로 이루어진 경우 부양체(110)의 하중을 줄일 수 있어 부양력을 높일 수 있다. 이렇게 연식의 합성수지 재질로 이루어진 챔버(111)는 내부에 채워지는 부양기체의 압력으로부터 그 형상을 형성할 수 있다.

또한 챔버(111) 내부에는 부양기체가 채워지는 공기주머니인 기낭(112)이 수용될 수 있다. 이 경우 마치 타이어 내부에 수용되는 튜브와 같이, 챔버(111)는 외부 충격으로부터 내부의 기낭(112)을 보호할 수 있다.

한편 부양체(110)에는 공기가 지날 수 있도록 관통 형성되는 공기이송터널(115)을 포함한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공기이송터널을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 3을 참조하면, 공기이송터널(115)은, 부양체(110)가 위치하는 고고도에서 유지되는 강한 풍속을 모으는 곳으로, 강한 풍속을 대향하는 부양체(110)의 전단부에서 후단부를 향하여 형성될 수 있다.

실시예에 따른 공기이송터널(115)은 공기유입부(1151), 풍속상승부(1152), 공기배출부(1153)를 포함할 수 있다.

공기유입부(1151)는, 전방의 공기 흐름을 대향하도록 부양체(110)의 전단부에 형성되어 공기의 흐름방향으로 단면적이 점차적으로 작아지게 형성되는 공기통로를 가질 수 있다.

즉, 부양체(110)의 전방의 입구단(1151a)으로 유입되는 공기는 공기통로의 단면적이 점차적으로 작아지는 공기유입부(1151)를 통과하는 과정에서 벤츄리 작용에 따라 속도(V1>V0)가 점차적으로 상승된다.

풍속상승부(1152)는, 상기 공기유입부(1151)로부터 일정한 단면적을 가지며 후방으로 연장하여 형성될 수 있다.

즉, 공기유입부(1151)를 통과하면서 속도가 점차적으로 상승된 공기는 최고 속도(V2)를 유지하면서 풍속상승부(1152)를 통과하게 된다.

결국 외부 공기의 속도(V0)가 상대적으로 작은 경우라도, 상기 공기유입부(1151)를 통과하면서 속도(V1)가 점차적으로 상승되고, 최종적으로 풍속상승부(1152)를 통과하는 공기의 속도(V2)는 상대적으로 빠른 속도를 구현되기 때문에, 공기이송터널(115)은 같은 고도를 흐르는 외부 공기보다 항상 강한 풍속을 유지시킬 수 있다.

공기배출부(1153)는, 공기이송터널(115)의 후단부에 형성되며 풍속상승부(1152)를 통과하면서 강한 풍속을 유지하는 공기를 부양체(110)의 외부로 배출시킨다. 일예로, 공기배출부(1153)는 공기이송터널(115)을 통과한 공기가 지상을 향할 수 있도록 상기 풍속상승부(1152)로부터 하방으로 절곡 연장하여 형성될 수 있다.

결국 공기배출부(1153)는 수평의 풍속상승부(1152)를 통과하면서 강한 풍속이 유지되는 공기의 흐름을 하방으로 전환시켜 출구단(1153a)을 지나는 공기의 흐름이 지상을 향하도록 한다.

한편 부양체(110)는 외측면에 수직날개(117)를 포함할 수 있다.

수직날개(117)는, 공기이송터널(115)을 교차하는 수직선상에서 부양체(110)의 상단 또는 하단에 결합될 수 있다. 이러한 수직날개(117)는 풍압에 의해 부양체(110)를 좌우방향으로 회전시키며 공기이송터널(115)의 입구단이 공기의 흐름방향(유입방향)과 나란하게 일치되도록 한다.

이처럼 수직날개(117)는 공기이송터널(115)을 통과하는 공기의 흐름을 공기이송터널(115)과 나란하게 유지함으로써 내부로 도입되는 풍력을 효과적으로 도입시킬 수 있고, 부양체(110)가 항상 공기의 흐름방향과 나란하게 위치할 수 있게 함으로써 부양체(110)의 평형 안정성을 높일 수도 있다.

수직날개(117)는 전술한 부양체(110) 구조와 동일하게 적어도 하나의 챔버(111)를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 날개 형상의 챔버(111)를 통해 구성될 수 있다.

또한 챔버(111) 구조로 이루어진 수직날개(117)는 상기한 부양체(110)와 마찬가지로 하중을 고려하여 경량의 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 등의 경량 금속이나 FRP 등의 연식 재질의 합성수지로 이루어질 수 있다. 상기 경량 금속으로 이루어진 경우 외부 충격으로부터 수직날개(117)의 견고성을 높일 수 있고, 연식의 합성수지 재질로 이루어진 경우 수직날개(117)의 하중을 줄일 수 있다. 이렇게 연식의 합성수지 재질로 이루어진 수직날개(117)는 내부에 채워지는 부양기체의 압력으로부터 날개 형상이 유지될 수 있다. 또한 수직날개(117)의 내부에는 부양기체가 채워지는 공기주머니인 기낭(112)이 수용될 수도 있다.

이러한 수직날개(117)는 풍압에 의해 부양체(110)의 좌우방향을 신속히 전환할 수 있도록 도시된 바와 같이 부양체(110)의 중심에서 후단부 쪽으로 치우진 위치에 배치됨이 바람직하다.

한편 부양체(110)는 외측면에 수평날개(118)를 포함할 수 있다.

수평날개(118)는, 부양체(110)의 좌측단 및 우측단에 결합될 수 있으며, 부양체(110)의 상승양력을 발생시킨다.

후술하겠지만, 일정한 고도를 유지하도록 지상과 연결케이블(120)로 연결되는 부양체(110)는 강한 풍압으로부터 후방으로 밀려나게 되고, 결국 제한된 연결케이블(120)의 길이로 인하여 실제 고도는 하강되는 문제가 발생될 수 있다.

수평날개(118)는 강한 풍압에 비례하여 풍압에 수직한 상 방향으로 상승양력을 발생시키고, 이로써 강한 풍압에 부양체(110)가 후방으로 밀려나는 것을 예방할 수 있고 초기에 설정된 고도를 크게 벗어나지 않도록 할 수 있다.

수평날개(118) 역시 전술한 부양체(110) 및 수직날개(117)와 동일하게 적어도 하나의 챔버(111)를 포함할 수 있고, 하중을 고려하여 경량의 재질로 이루어질 수 있다. 이에 대한 중복 설명은 생략한다.

연결케이블(120)은, 부양체(110)와 지상을 연결하여 부양체(110)의 고도를 제한하는 것이다.

연결케이블(120)은 부양체(110)를 지상과 연결하여 부양체(110)의 고도를 제한하는 것으로, 일단은 부양체(110)와 연결되고 타단은 지상과 연결된다. 후술하겠지만, 정확히는 지상의 고도조정유닛(130)과 연결된다.

연결케이블(120)의 일단은 적어도 세 가닥으로 분기되어 부양체(110)와 결합될 수 있도록 한다. 예를 들어 부양체(110)의 전방 좌, 우측과 후방단부를 연결하는 삼각 구조를 이루고, 분기된 각 가닥마다 균일한 장력이 전달될 수 있게 한다. 이로써 풍압에 부양체(110)가 심하게 흔들리지 않고 평형 안정성을 도모할 수 있다.

고도조정유닛(130)은, 지상에 설치되어 부양체(110)와 연결된 연결케이블(120)의 길이를 조정할 수 있다.

실시예에 의한 고도조정유닛(130)은 연결케이블(120)의 일단과 연결되는 권취드럼(131)과, 권취드럼(131)을 회전시켜 권취드럼(131)에 연결케이블(120)을 감거나 풀면서 길이를 조정하는 구동부(132)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 권취드럼(131)의 회전축과 구동부(132)의 구동축이 축 결합되고, 상기 구동부(132)의 정, 역방향 회전구동에 따라 권취드럼(131)은 정, 역방향 회전되며, 이에 따라 연결케이블(120)은 풀리면서 길어지거나 감기면서 짧아진다. 이로써 연결케이블(120)의 길이에 따라 부양체(110)의 고도를 조정할 수 있다.

공기이송배관(140)은, 부양체(110)의 공기이송터널(115)의 출구단(1153a)과 연결되어 공기이송터널(115)을 통과한 공기를 지상으로 이송할 수 있다. 일예로 공기이송배관(140)은 공기이송터널(115)의 출구단(1153a)과 후술되는 제1 급수탱크(210)와의 사이 간격변화에 따라 신축 가능한 구조로 이루어질 수 있다. 일예로, 공기이송배관(140)은 주름관일 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 제1 풍력발생부(100)는 풍속감지센서(150)를 더 포함할 수 있다.

풍속감지센서(150)는, 제1 풍력발생부(100)에서 생성된 풍속을 측정하는 것으로, 상세하게는 수력발전부(200)의 제1 급수탱크(210)로 공급되는 풍속을 측정할 수 있다. 수력발전부(200)의 제1 급수탱크(210)에 대해서는 후술한다. 상기 풍속감지센서(150)에 의해 측정된 풍속 정보는 제어부로 송신된다.

제어부는, 상기 풍속감지센서(150)에서 측정된 풍속 정보를 기반으로 고도조정유닛(130)을 제어할 수 있다.

다시 말해, 제어부는 상기 풍속감지센서(150)로부터 측정된 풍속 정보를 수신하고, 이를 기반으로 상기 고도조정유닛(130)의 구동부(132)의 작동신호를 송신할 수 있다.

상기 제1 풍속발생부가 위치하는 공중이라 하더라도 고도에 따라 시시각각으로 풍속은 변화된다. 즉, 시시각각 변화되는 풍속에 따라 최고 풍속이 유지되는 고도에 부양체(110)를 배치시킴으로써, 보다 강한 풍속을 지상으로 도입할 수 있다.

즉, 제어부는 상기 부양체(110)가 제1 고도를 유지하는 일정한 시간동안 측정된 평균 풍속을 수신하고, 상기 부양체(110)가 상기 제1 고도와 고도차를 가지는 제2 고도를 유지하는 일정한 시간동안 측정된 평균 풍속을 수신하며, 상기 제1 고도와 상기 제2 고도 중 평균 풍속이 큰 고도에 상기 부양체(110)가 위치하도록 상기 고도조정유닛(130)을 제어할 수 있다.

예를 들어, 최초 제어부는 구동부(132)에 작동신호를 송신하여 연결케이블(120)을 풀어서 부양체(110)가 제1 고도를 유지하도록 하고, 제1 고도에서 1시간 동안 유지되는 제1 평균 풍속을 산출한다.

다음으로 제어부는 구동부(132)에 작동신호를 재송신하여 연결케이블(120)을 더 풀거나 감으면서 부양체(110)가 제1 고도와 고도차를 갖는 제2 고도에 유지시키고, 제2 고도에서 다시 1시간 동안 유지되는 제2 평균 풍속을 산출한다.

다음으로 제어부는 산출된 상기 제1 평균 풍속과 제2 평균 풍속을 비교하여, 만약 제2 평균 풍속이 큰 경우에는 현재 유지되고 있는 제2 고도에 부양체(110)를 그대로 유지시킨 상태에서 현재 풍속을 유지하고, 만약 앞서 산출된 제1 평균 풍속이 더 큰 경우에는 구동부(132)에 작동신호를 송신하여 부양체(110)를 제1 고도로 다시 복귀시킨 다음 제1 고도에서 생성되는 풍속을 유지시킨다.

더불어 제어부는 미리 설정된 시간마다 상기와 같이 부양체(110)의 고도를 새롭게 조정할 수도 있다. 예를 들어, 1시간 마다 최고 풍속이 유지되는 고도를 추적하여, 매 시간마다 새로운 고도에 부양체(110)를 재 위치시킬 수 있다.

또한 제어부는 2회 보다 많은 여러 차례에 걸쳐 부양체(110)의 고도를 변경하여 가며, 고도조정유닛(130)의 연결케이블(120)이 허용되는 고도범위에서 최고 풍속이 유지되는 고도에 부양체(110)를 위치시킬 수도 있다. 예를 들어 50m의 고도를 유지하고 있는 부양체(110)에 대하여, 10m 간격으로 부양체(110)를 계속해서 상승시키면서 최고 풍속이 유지되는 고도에 부양체(110)를 위치시킬 수도 있다.

수력발전부(200)는, 제1 급수탱크(210), 저수탱크(230), 낙수배관(240) 및 수력발전유닛(250)을 포함할 수 있다.

제1 급수탱크(210)는, 상기 공기이송배관(140)과 연결되어 상기 제1 풍력발생부(100)로부터 생성된 풍속을 내부로 유입함에 따라 내부에 저장된 물이 배출될 수 있다. 상세하게, 제1 급수탱크(210)는 공기이송배관(140)과 연결되는 공기흡입구(211)가 상부 일측에 구비되고, 외부로부터 물을 공급받기 위한 제1 급수구(212)가 일측에 구비되며, 내부에 채워진 물을 외부로 배출하기 위한 제1 출수구(213)가 타측에 구비된다.

결국 제1 급수탱크(210)는 상기 제1 급수구(212)를 통해 외부로부터 물이 유입되어 채워지고, 공기이송배관(140)으로부터 이송되는 풍력이 상기 공기흡입구(211)를 통해 내부로 도입됨에 따라, 내부에 채워진 물은 상기 제1 출수구(213)로 배출된다.

여기서 공기이송배관(140)과 공기흡입구(211)의 결합 구조를 살펴보면, 공기이송배관(140)의 지상으로 늘어뜨려진 하단부는 공기흡입구(211)에 삽입되어 슬라이드 가능하게 결합되며, 끝단이 공기흡입구(211)의 내면에 걸림 지지되어 공기흡입구(211)로 이탈이 차단되도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 신축 구조의 공기이송배관(140)의 경우 일정 길이를 가지며 수축된 상태에서는 공기흡입구(211)에 삽입되어 슬라이드 이동되며, 만약 부양체(110)의 높이가 상승함에 따라 연동하여 상승되다가 공기흡입구(211)에 걸림 지지되고, 이후 계속된 부양체(110)의 상승 시에는 늘어나면서 높이 변화에 대응할 수 있다.

저수탱크(230)는, 제1 급수탱크(210)보다 높은 위치를 유지하며 상기 제1 급수탱크(210)로부터 배출되는 물이 내부로 유입될 수 있다. 상세하게, 제1 급수탱크(210)의 제1 출수구(213)와 연결되는 제2 급수구(232)가 일측에 구비되고, 내부에 채워진 물을 외부로 배출하기 위한 제2 출수구(233)가 타측에 구비된다.

제1 풍력발생부(100)로부터 공급되는 풍력을 이용하여 제1 급수탱크(210)에 저장된 물을 저수탱크(230)로 공급하는 중, 상기 저수탱크(230)의 내부는 부압 상태가 유지될 수 있다. 다시 말해, 제1 급수탱크(210)의 물을 저수탱크(230)로 공급하는 과정에서 상기 제1 급수탱크(210)(대기압)와 비교하여 상기 저수탱크(230)의 내부가 보다 낮은 압력을 유지함으로써, 제1 급수탱크(210)의 물이 저수탱크(230)를 향해 보다 효과적으로 공급될 수 있다.

상기 제1 급수탱크(210)의 제1 출수구(213)와 저수탱크(230)의 제2 급수구(232)는 연결배관(270)으로 서로 연결될 수 있다.

상기 연결배관(270) 상에는 역류차단밸브(275)가 포함될 수 있으며, 역류차단밸브(275)는 제1 급수탱크(210)의 물을 저수탱크(230)로 공급하는 중, 저수탱크(230)의 물이 제1 급수탱크(210)로 역류되는 것을 차단시킨다.

낙수배관(240)은, 저수탱크(230)와 연결되어 저수탱크(230)에 저장된 물을 낙하시킨다. 상세하게는 일단이 저수탱크(230)의 제2 출수구(233)와 연결되고 하방으로 연장하여 이어지며, 하단부에는 후술된 수력발전유닛(250)이 배치된다.

수력발전유닛(250)은, 낙수배관(240)의 하단부에 설치되어 낙하하는 물의 위치에너지로부터 전기에너지를 생산한다.

수력발전유닛(250)은 낙수배관(240)을 통해 낙하되는 물의 수압에 의해 회전하는 터빈날개와 터빈날개의 회전력으로부터 전기가 발전되게 하는 발전기를 포함할 수 있다. 이러한 풍력발전유닛은 일실시예로 나타낸 것에 국한되는 것은 아니고, 수압에 의해 회전되어 전기에너지를 발생시키는 것이면 모두 채용 가능한 것이다. 또한 터빈날개 및 이를 지지하는 터빈샤프트, 터빈샤프트와 연결되는 감속기, 증속기 및 각종 기어박스 등 역시 공지의 것으로부터 선택적으로 채택할 수 있다.

이상과 같이 수력발전유닛(250)으로부터 생산된 전기에너지는 별도의 발전소 혹은 변전소로 송전되어 충전 보관된다.

한편 실시예에 의한 수력발전부(200)에는 회수배관(260)을 더 포함할 수 있다.

회수배관(260)은, 낙수배관(240)과 제1 급수탱크(210)를 연결하여 수력발전유닛(250)을 통과하면서 발전에 사용된 물을 제1 급수탱크(210)로 다시 회수시킬 수 있다.

상기 회수배관(260) 상에도 역류차단밸브(265)가 포함될 수 있으며, 이를 통해 제1 급수탱크(210)의 물이 회수배관(260) 측으로 역류되는 것을 차단시킨다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 수력발전장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 수력발전장치는, 제2 풍력발생부(300) 및 제2 급수탱크(220)를 더 포함할 수 있다.

제2 풍력발생부(300)는, 전술한 제1 풍력발생부(100)와 동일하게 구성되는 것으로, 관련하여 중복되는 상세 설명은 생략한다. 이러한 제2 풍력발생부(300)는 제2 급수탱크(220)로 풍력을 공급하기 위해 배치된다.

제2 급수탱크(220), 역시 전술한 제1 급수탱크(210)와 기본적으로 동일하게 구성되되, 상기 제2 풍력발생부(300)로부터 생성된 풍속을 내부로 유입함에 따라 내부에 저장된 물이 배출될 수 있다.

다만, 제2 급수탱크(220)는 제1 급수탱크(210)보다 높은 위치를 유지하고 저수탱크(230)보다는 낮은 위치를 유지하도록 배치되는 것에 차이점이 있다.

상세하게, 제2 급수탱크(220)는 제2 풍력발생부(300)의 공기이송배관과 연결되는 공기흡입구(221)가 상부 일측에 구비되고, 제1 급수탱크(210)의 제1 출수구(213)와 연결되는 제3 급수구(222)가 일측에 구비되며, 저수탱크(230)의 제2 급수구(232)와 연결되는 제3 출수구(223)가 타측에 구비된다.

결국 제2 급수탱크(220)는 제3 급수구(222)를 통해 제1 급수탱크(210)로부터 배출되는 물이 유입되어 채워지고, 제2 풍력발생부(300)에서 생성되어 공기흡입구(221)로부터 유입되는 풍력을 내부로 도입함에 따라, 내부에 채워진 물은 제3 출수구(223)를 통해 배출되어 저수탱크(230)로 공급된다.

한편 제1 급수탱크(210)의 제1 출수구(213)와 제2 급수탱크(220)의 제3 급수구(222) 역시 연결배관(280)으로 서로 연결될 수 있다.

상기 연결배관(280) 상에는 역류차단밸브(285)가 포함될 수 있으며, 역류차단밸브(285)는 제1 급수탱크(210)의 물을 제2 급수탱크(220)로 공급하는 중, 제2 급수탱크(220)의 물이 제1 급수탱크(210)로 역류되는 것을 차단시킨다.

이상과 같이, 제2 급수탱크(220)를 제1 급수탱크(210)보다 높은 위치에 배치함으로써, 제2 풍력발생부(300)는 제1 풍력발생부(100)보다 작은 풍속을 생성하더라도, 제2 급수탱크(220)의 물을 저수탱크(230)로 공급할 수 있다.

또한 제1 풍력발생부(100)와 제1 급수탱크(210) 및 제2 풍력발생부(300)와 제2 급수탱크(220)를 구비함으로써, 저수탱크(230)에 상대적으로 많은 용량의 물을 보다 신속하게 채울 수 있고, 이로써 수력발전의 효율을 높일 수 있다.

이처럼 다른 실시예에서는 제1 풍력발생부(100)와 제1 급수탱크(210) 및 제2 풍력발생부(300) 및 제2 급수탱크(220)에 대해 설명하고 있으나, 나아가 서로 다른 높이차를 가지는 3개 이상의 급수탱크와 각 급수탱크에 풍속을 개별적으로 공급하는 3개 이상의 풍력발생부를 구성할 수도 있다.

한편 도시되진 않았지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 수력발전장치는, 서로 동일 높이에 배치되는 복수의 제1 급수탱크(210)를 구성할 수 있으며, 복수의 제1 급수탱크(210)마다 풍력을 공급하기 위한 복수의 풍력발생부를 포함하여 구성할 수도 있다.

이처럼 복수의 제1 풍력발생부(100) 및 제1 급수탱크(210)를 구성하는 경우에도 저수탱크(230)에 상대적으로 많은 용량의 물을 보다 신속하게 채울 수 있고, 이로써 수력발전의 효율을 높일 수 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

100: 제1 풍력발생부 110: 부양체
111: 챔버 120: 연결케이블
130: 고도조정유닛 140: 공기이송배관
150: 풍속감지센서 200: 수력발전부
210: 제1 급수탱크 220: 제2 급수탱크
230: 저수탱크 240: 낙수배관
250: 수력발전유닛 260: 회수배관

Claims

부양기체가 수용되는 적어도 하나의 챔버가 구비되고, 공기가 지날 수 있도록 관통하여 형성되는 공기이송터널이 마련되는 부양체와, 상기 부양체와 지상을 연결하여 상기 부양체의 고도를 제한하는 연결케이블과, 상기 공기이송터널의 출구단과 연결되어 상기 공기이송터널을 통과한 공기를 지상으로 이송하는 공기이송배관이 구비되는 제1 풍력발생부; 및
상기 공기이송배관과 연결되어 상기 제1 풍력발생부로부터 생성된 풍속을 내부로 유입함에 따라 내부에 저장된 물이 배출되는 제1 급수탱크와, 상기 제1 급수탱크보다 높은 위치를 유지하며 상기 제1 급수탱크로부터 배출되는 물이 내부로 유입되는 저수탱크와, 상기 저수탱크와 연결되어 상기 저수탱크에 저장된 물을 낙하시키는 낙수배관과, 상기 낙수배관의 하단부에 설치되어 낙하하는 물의 위치에너지로부터 전기에너지를 생산하는 수력발전유닛이 구비되는 수력발전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 공기이송터널은,
상기 부양체의 전단부에 형성되어 공기의 흐름방향으로 단면적이 점차적으로 작아지게 형성되는 공기유입부; 및
상기 공기유입부로부터 일정한 단면적을 가지며 연장하여 형성되는 풍속상승부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 풍력발생부는, 지상에 설치되어 상기 연결케이블의 길이를 조정하는 고도조정유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제3항에 있어서,
상기 고도조정유닛은,
상기 연결케이블의 일단과 연결되는 권취드럼; 및
상기 권취드럼을 회전시킴에 따라 상기 권취드럼에 상기 연결케이블을 감거나 풀면서 상기 연결케이블의 길이를 조정하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제3항에 있어서,
상기 공기이송배관은, 상기 공기이송터널의 출구단과 상기 제1 급수탱크 사이의 간격변화에 따라 신축 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 급수탱크로 공급되는 풍속을 측정하는 풍속감지센서; 및
상기 풍속감지센서에서 측정된 풍속을 기반으로 상기 고도조정유닛을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 부양체가 제1 고도를 유지하는 일정한 시간동안 측정된 평균 풍속을 수신하고,
상기 부양체가 상기 제1 고도와 고도차를 가지는 제2 고도를 유지하는 일정한 시간동안 측정된 평균 풍속을 수신하며,
상기 제1 고도와 상기 제2 고도 중 평균 풍속이 큰 고도에 상기 부양체가 위치하도록 상기 고도조정유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 공기이송터널을 교차하는 수직선상에서 상기 부양체의 상단 또는 하단에 결합되어, 풍압에 의해 상기 부양체를 좌우방향으로 회전시키며 상기 공기이송터널이 공기의 흐름방향과 나란하게 일치되도록 하는 수직날개;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 부양체의 좌측단 및 우측단에 결합되어, 상기 부양체의 상승양력을 발생시키는 수평날개;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 낙수배관과 상기 제1 급수탱크를 연결하며 상기 수력발전유닛을 통과하면서 발전에 사용된 물을 상기 제1 급수탱크로 회수시키는 회수배관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 급수탱크보다 높은 위치를 유지하고, 상기 저수탱크보다 낮은 위치를 유지하는 제2 급수탱크; 및
상기 제2 급수탱크로 풍력을 공급하는 제2 풍력발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 수력발전장치.