KR102087321B1 - 고효율 조류 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조류에너지 이용영역에서는 조류의 에너지를 충분히 이용할 수 있고, 조류에너지 저항영역에서는 조류의 방향과 블레이드(날개)의 방향이 빠르게 수평이 되도록 함과 동시에 수평 상태가 유지되어 조류의 저항을 충분히 감소시킬 수 있는 고효율 조류 발전장치에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고효율 조류 발전장치는, 해저 또는 해상에 설치되는 설치프레임; 상기 설치 프레임에 수평 방향으로 소정 길이를 가지도록 설치되는 제1 회전축; 상기 제1 회전축의 양단 부분에 각각에 설치되는 한 쌍의 변각유닛; 상기 한 쌍의 변각유닛 사이에 설치되어 상기 제1 회전축을 중심으로 공전 및 자전하도록 구성되는 복수 개의 날개를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 조류 발전장치{High Efficiency Tidal Current Generator}
본 발명은 고효율 조류 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바다, 강 등의 조류를 이용하여 회전 동력을 발생시키고, 이를 이용하여 전기를 생산하도록 구성되는 고효율 조류 발전장치에 관한 것이다.
최근에는 환경오염의 문제가 크게 부각되면서 조류발전, 풍력발전 및 태양광 발전 등과 같은 친환경 발전에 대한 관심이 확대되고 있다.
이 중 조류발전은 빠른 해수의 흐름을 이용하여 바다 속에 설치된 터빈(블레이드)을 회전시키고, 이를 통해 발전하는 방식으로 어류의 이동을 방해하지 않기 때문에 생태계에 영향을 주지 않아 친환경적이고 방파제의 설치가 요구되는 조력발전에 비해 시공비용이 적게 소요되는 장점이 있다.
상기와 같은 종래의 조류 발전장치로는 등록특허공보 제1819620호의 유체 발전기(이하 '특허문헌 1'이라 한다)가 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1에 개시된 조류 발전장치는 유체가 흐르는 유로에 설치되어 유체가 흐르는 방향에 교차하는 방향으로 배치되는 제1 회전축; 상기 제 1회전축에 방사형으로 체결되는 암(arm); 상기 유체의 흐름에 따라 회전하여 제1 회전축이 회전되도록 암에 연결되는 회전날개; 상기 제1 회전축에 연결되어 제1 회전축의 회전동력을 이용하여 전기를 생성하는 발전기; 상기 제1 회전축을 중심으로 회전하는 회전날개가 제1 회전축과 별도로 회전하도록 회전날개와 암을 연결하는 제2 회전축; 및 상기 제2 회전축을 중심으로 회전하는 회전날개가 유체의 깊이에 따라 기설정된 회전 각도를 따라 회전하도록 제 2회전축을 중심으로 회전하는 회전날개의 회전 각도를 가이드 하는 가이드부를 포함하고, 상기 가이드부는 유체의 깊이가 가장 낮은 곳에 대응되는 위치에서 회전날개가 수직인 자세를 취하고, 상기 유체의 깊이가 가장 깊은 곳에 대응되는 위치에서 회전날개가 수평인 자세를 취하도록 회전날개의 회전 각도를 가이드하며, 상기 가이드부는 제1 회전축의 측방에 배치되어 가이드 홈이 형성되는 가이드 판; 및 상기 제2 회전축을 중심으로 회전날개의 폭 방향으로 이격되어 회전날개의 측단부에 연결되고, 상기 가이드 홈에 구속되어 회전날개가 가이드 홈을 따라 제2 회전축을 중심으로 회전되도록 하는 한 쌍의 가이드 롤러를 포함하고, 상기 유체의 깊이가 가장 낮은 곳에 대응되는 위치에서 가이드 홈은 동심원을 이루도록 한 쌍으로 이격되며, 상기 한 쌍의 가이드 홈은 유체의 깊이가 가장 깊은 곳에 대응되는 위치에서 합류하고, 상기 가이드 판은 한 쌍으로 마련되고 한 쌍의 가이드 판은 제1 회전축의 일측방과 타측방에 각각 배치되어 회전날개의 회전 각도를 가이드하며, 상기 한 쌍의 가이드 롤러는 한 쌍의 가이드 롤러와 회전날개를 연결하기 위해, 한 쌍의 가이드 롤러와 회전날개의 사이에 회전날개의 폭 방향의 길이를 가지는 막대 형상의 롤러 지지대가 배치되고, 상기 롤러 지지대의 중앙부에는 암에 연결된 제2 회전축이 연결되고, 상기 제2 회전축이 롤러 지지대에 구속되어 롤러 지지대와 함께 회전될 수 있도록 제2 회전축과 롤러 지지대에는 키 홈이 형성되고, 상기 제2 회전축과 롤러 지지대의 사이에는 키가 결합되며, 상기 롤러 지지대는 한 쌍의 가이드 롤러의 이송에 따라 회전되고, 상기 회전날개와 일체형으로 이루어지는 제2 회전축은 롤러 지지대에 구속되어 회전날개가 롤러 지지대와 함께 회전되도록 구성된다.
그러나 상기 특허문헌 1에 개시된 조류 발전장치는 가이드홈을 따라 가이드 롤러가 이동하면서 회전날개가 가이드홈에 의해 소정 각도로 회전되도록 한 것이나, 소정 경로를 가지도록 분기되어 형성되는 가이드홈을 따라 가이드 롤러가 정확하게 이동되면서 회전날개의 각도를 안내하기가 구조적으로 어렵고, 이 때문에 가이드홈을 따라 가이드 롤러가 정확하게 이동하지 못하게 되면서 회전날개가 회전되지 못하여 발전효율이 떨어지는 문제가 있다.
또 다른 종래기술로는 공개특허공보 제2012-0116694호의 조류 발전기(이하 '특허문헌 2'라 한다)가 개시되어 있다.
상기 특허문헌 2에 개시된 조류 발전기는 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전부; 조류의 흐름에 따라 외력을 받는 블레이드부; 및 상기 발전부와 상기 블레이드부를 연결하는 동력 전달부를 포함하고, 상기 동력 전달부는 중심축을 포함하며, 상기 블레이드부에 가해지는 외력에 의해 상기 중심축을 중심으로 회전하여 회전에너지를 발생시키고, 상기 발생된 회전 에너지를 상기 발전부로 전달하는 중심회전부재; 및 감속기를 포함하고, 상기 중심회전부재의 회전에 따라 블레이드부를 자전시키는 회전 조절부를 포함하여 구성된다.
그러나 상기 특허문헌 2의 조류 발전기는 조류의 흐름 방향과 블레이드부의 회전 방향이 같은 조류에너지 이용영역에서는 블레이드의 각도가 조류의 방향을 기준으로 45°에서 90°가 되도록 조절되고, 조류의 흐름 방향과 블레이드부의 회전 방향이 반대가 되는 조류에너지 저항영역에서는 블레이드의 각도가 조류의 방향과 수평을 이루도록 조절되는 것이나, 복수 개의 기어를 통해 회전중심부재를 기준으로 블레이드부가 1회전(360°)될 때 각각의 블레이드가 0.5회전(180°) 되도록 2 : 1의 기어비를 가지도록 구성되므로 조류에너지 저항영역 내에서 블레이드가 조류의 방향과 수평이 되기까지 지속적으로 블레이드의 각도가 변각되게 되고, 그 결과 조류에너지 저항영역 내에서 조류의 방향과 블레이드가 수평을 이루는 구간이 매우 짧아 조류에너지 저항을 감소시키는 충분한 효과를 기대하기 어려운 단점이 있다.
따라서 조류에너지 이용영역에서는 조류의 에너지를 충분히 이용할 수 있고, 조류에너지 저항영역에서는 조류의 방향과 블레이드(날개)의 방향이 빠르게 수평이 되도록 함과 동시에 수평 상태가 유지되어 조류의 저항을 충분히 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 발전 효율이 향상될 수 있는 구조가 개선된 고효율 조류 발전장치의 개발이 요구된다.
KR 10-1819620 B1 (2018. 01. 11.) KR 10-1213372 B1 (2012. 12. 18.) KR 10-2014-0142500 A (2012. 12. 18.)
본 발명은 상기와 같은 종래의 조류 발전장치가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 조류에너지 이용영역에서는 조류의 에너지를 충분히 이용할 수 있고, 조류에너지 저항영역에서는 조류의 방향과 블레이드(날개)의 방향이 빠르게 수평이 되도록 함과 동시에 수평 상태가 유지되어 조류의 저항을 충분히 감소시킬 수 있는 고효율 조류 발전장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고효율 조류 발전장치는, 해저 또는 해상에 설치되는 설치프레임; 상기 설치 프레임에 수평 방향으로 소정 길이를 가지도록 설치되는 제1 회전축; 상기 제1 회전축의 양단 부분에 각각 설치되는 한 쌍의 변각유닛; 상기 한 쌍의 변각유닛 사이에 설치되어 상기 제1 회전축을 중심으로 공전 및 자전하도록 구성되는 복수 개의 날개를 포함하고, 상기 한 쌍의 변각유닛은, 상기 제1 회전축이 관통되어 상기 설치프레임에 고정 설치되면서 소정 지름을 가지는 제1, 2 브래킷이 설치되는 제1 회전축 보스; 상기 제1, 2 브래킷 사이를 연결하도록 방사상으로 복수 개가 설치되면서 상기 복수 개의 날개와 연결되는 제2 회전축; 상기 제1 회전축 보스와 상기 제2 회전축을 연결하면서 조류에너지 이용영역에서 상기 복수 개의 날개가 조류의 방향과 수직이 되도록 각도를 조절하는 동력기어모듈; 상기 제1 회전축 보스와 상기 제2 회전축을 연결하면서 조류에너지 이용영역과 조류에너지 저항영역 사이에서 상기 복수 개의 날개의 각도가 조류의 방향과 수평이 되도록 조절하는 변각기어모듈; 및 상기 제1 회전축 보스와 상기 제2 회전축을 연결하면서 상기 조류에너지 저항영역 내에서 상기 복수 개의 날개의 각도가 조류의 방향과 수평을 유지하도록 하는 수평잡이기어모듈을 포함하고, 상기 동력기어모듈, 상기 변각기어모듈 및 상기 수평잡이기어모듈은, 상기 날개가 상기 제1 회전축을 중심으로 공전하여 위치되는 각도에 따라 선택된 어느 하나의 기어모듈의 기어만이 맞물리도록 서로 엇갈린 위치에 기어가 부분 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 상기 동력기어모듈이 상기 제1 회전축 보스에 고정 설치되면서 상기 조류에너지 이용영역 상에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 동력기어; 상기 제2 회전축에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 동력기어; 및 상기 제1 브래킷에 회전 가능하게 설치되면서 상기 제1, 2 회전축 동력기어 사이에 맞물리도록 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 연동기어를 포함하여, 상기 제1 회전축을 중심으로 상기 날개가 반시계 방향으로 회전 동작될 때, 상기 제2 회전축 동력기어에 의해 상기 제2 회전축이 시계 방향으로 회전되면서 상기 날개의 각도가 조절되도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제1, 2 회전축 동력기어가 상기 연동기어에 의해 서로 맞물린 상태에서 상기 제1 회전축을 중심으로 상기 제2 회전축이 공전되는 회전각도 대비 상기 제2 회전축이 상기 제2 회전축 동력기어에 의해 자전되는 회전각도가 2 : 1이 되도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
이에 더해 본 발명은 상기 변각기어모듈이 상기 제1 회전축 보스에 고정 설치되면서 상기 조류에너지 이용영역과 상기 조류에너지 저항영역 사이에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 변각기어; 및 상기 제2 회전축에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 변각기어를 포함하고, 상기 제1, 2 회전축 변각기어가 서로 맞물린 상태에서 상기 제1 회전축을 중심으로 상기 제2 회전축이 공전되는 회전각도 대비 상기 제2 회전축이 상기 제2 회전축 변각기어에 의해 자전되는 회전각도가 1 : 1이 되도록 구성되며, 상기 제1 회전축 변각기어와 상기 제2 회전축 변각기어는, 기어비가 1 : 1로 형성되고, 상기 제1 회전축 변각기어는, 기어가 20° ~ 30° 범위로 부분 형성되면서 소정 각도 간격을 두고 한 쌍이 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 상기 수평잡이기어모듈이 상기 제1 회전축 보스에 고정 설치되면서 상기 조류에너지 저항영역 상에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 수평잡이기어; 상기 제2 회전축에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 수평잡이기어; 및 상기 제2 브래킷에 회전 가능하게 설치되면서 상기 제1, 2 회전축 수평잡이기어 사이에 맞물리도록 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 연동기어를 포함하고, 상기 제1, 2 회전축 수평잡이기어가 상기 연동기어에 의해 서로 맞물린 상태에서 상기 제1 회전축을 중심으로 상기 제2 회전축이 공전되는 회전각도 대비 상기 제2 회전축이 자전되는 회전각도가 1 : 1이 되도록 구성되면서, 상기 제1 회전축을 중심으로 상기 날개가 반시계 방향으로 회전 동작될 때, 상기 연동기어에 의해 상기 제2 회전축 수평잡이기어가 시계 방향으로 역회전되어 상기 날개의 각도가 수평 상태가 유지되도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 제1, 2 회전축 동력기어가 연동기어에 의해 2 : 1의 기어비로 연결되고, 이로 인해 날개가 제1 회전축을 중심으로 90°로 회전될 때 날개가 45°로 회전되면서 조류의 방향과 수직이 되도록 조절되고, 조류에너지 이용영역에서 조류에너지 저항영역으로 또는 조류에너지 저항영역에서 조류에너지 이용영역으로 바뀌는 영역에서 서로 1 : 1의 기어비로 맞물리는 제1, 2 회전축 변각기어에 의해 조류의 방향과 45°에서 수평(0°)이 되도록 날개의 각도가 빠르게 변각될 수 있으며, 또한 제1, 2 회전축 변각기어에 의해 변각된 날개의 각도가 제1, 2 회전축 수평잡이기어를 통해 수평인 상태로 그대로 유지되게 되면서 조류에너지 저항영역 내에서 날개의 각도가 조류의 방향과 수평을 이루는 구간을 길게 함으로써 조류의 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 그 결과 조류에너지를 이용한 날개의 회전 속도가 담보되면서 발전 효율이 향상되는 장점이 있다.
또한, 일반적으로 유속은 수면으로부터 20%(총수심대비) 수심이 되는 깊이 지점에서 유속이 가장 빠르고, 이후 수심이 깊어질수록 유속이 느려지면서 해저에서 유속은 이론적으로 0이 되는 것으로 알려져 있고, 이에 맞추어 날개가 제1 회전축을 중심으로 공전되는 상하 범위를 적절하게 설계하는 것으로 더욱 효율적으로 전기에너지를 생산하는 것이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율 조류 발전장치의 예를 보인 정면도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 변각유닛의 예를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따른 제1 회전축 보스에 제1 회전축 동력기어, 제1 회전축 변각기어 및 제1 회전축 수평잡이기어가 조립된 예를 보인 도면.
도 5(a)는 본 발명에 따른 제1 회전축 동력기어의 예를 보인 도면.
도 5(b)는 본 발명에 따른 제1 회전축 변각기어의 예를 보인 도면.
도 5(c)는 본 발명에 따른 제1 회전축 수평잡이기어의 예를 보인 도면.
도 6(a)은 본 발명에 따른 제2 회전축 동력기어의 예를 보인 도면.
도 6(b)은 본 발명에 따른 제2 회전축 변각기어의 예를 보인 도면.
도 6(c)은 본 발명에 따른 제2 회전축 수평잡이기어의 예를 보인 도면.
도 7은 본 발명에 따른 제2 회전축 변각기어와 제2 회전축 수평잡이기어가 연동기어와 맞물리도록 설치된 예를 보인 도면.
도 8은 본 발명에 다른 제1, 2 회전축 동력기어가 연동기어에 의해 맞물리도록 조립된 예를 보인 도면.
도 9는 본 발명에 따른 제1, 2 회전축 동력기어와 연동기어에 의해 조류에너지 이용영역에서 날개의 각도가 조절되는 예를 보인 도면.
도 10은 본 발명에 따른 제1, 2 회전축 변각기어가 맞물리도록 조립된 예를 보인 도면.
도 11은 본 발명에 따른 제1, 2 회전축 변각기어에 의해 조류에너지 이용영역에서 조류에너지 저항영역으로 바뀌는 구간에서 날개의 각도가 변각되는 예를 보인 도면.
도 12는 본 발명에 따른 제1, 2 회전축 변각기어에 의해 날개의 각도가 조류의 방향과 수평이 되도록 조절된 상태를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 따른 제1, 2 회전축 수평잡이기어와 연동기어가 맞물리도록 조립된 예를 보인 도면.
도 14는 본 발명에 따른 동력기어모듈, 변각기어모듈 및 수평잡이기어모듈을 통해 날개의 각도가 조절되는 예를 보인 도면.
도 15(a, b)는 본 발명에 따른 날개의 예를 보인 도면.
도 16(a)은 종래의 프로펠러 방식의 조류발전기가 설치된 예를 보인 도면.
도 16(b)은 본 발명에 따른 고효율 조류 발전기가 설치된 예를 보인 도면.
도 17은 종래의 전체 2 : 1 기어비를 가지는 조류 발전기의 동력에너지와 저항에너지의 값을 나타낸 그래프.
도 18은 본 발명에 따른 고효율 조류 발전기의 동력에너지와 저항에너지의 값을 나타낸 그래프.
도 19는 본 발명에 따른 고효율 조류 발전기가 바지선에 설치되는 예를 보인 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면에 따라 상세하게 설명한다.
본 발명은 조류에너지 이용영역에서는 조류의 에너지를 충분히 이용할 수 있고, 조류에너지 저항영역에서는 조류의 방향과 블레이드(날개)의 방향이 빠르게 수평이 되도록 함과 동시에 수평 상태가 유지되어 조류의 저항을 충분히 감소시킬 수 있는 고효율 조류 발전장치를 제공하고자 하는 것으로, 이러한 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 설치프레임(10), 제1 회전축(20), 변각유닛(30) 및 날개(40)로 이루어진다.
그리고 이하에서는 설명의 편의를 위해 조류의 방향과 날개(40)의 회전 방향이 동일한 방향을 '조류에너지 이용영역(A)'으로 지칭하여 설명하고, 조류의 방향과 날개(40)의 회전 방향이 반대가 되는 방향을 '조류에너지 저항영역(B)'으로 지칭하여 설명한다.
설치프레임(10)은 조류 발전장치를 해저 또는 해상에 설치하기 위한 구성이다.
이러한 설치프레임(10)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 수평으로 소정 길이를 가지면서 서로 소정 간격 이격되어 설치되는 한 쌍의 수평프레임(11)과, 상기 한 쌍의 수평프레임(11)의 양단에 각각 수직으로 설치되면서 서로 소정 간격 이격되어 설치되는 한 쌍의 수직프레임(12)을 포함한다.
그리고 수직프레임(12)에는 후술되는 제1 회전축(20)이 회전 가능하게 설치되도록 하는 유니트베어링(도면부호 없음)이 설치된다.
이러한 설치프레임(10)은 조류에 의해 조류 발전장치가 유동되지 않도록 고정부재 등을 이용하여 해저 바닥에 강건하게 고정된다.
제1 회전축(20)은 설치프레임(10)에 설치되는 유니트베어링에 의해 회전 가능하게 설치되고, 이에 의해 후술되는 복수 개의 날개(40)를 통해 회전 동작되어 발전기에 회전 동력을 전달하는 구성이다.
이러한 제1 회전축(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 수평 방향으로 소정 길이를 가지면서 양단 부분에는 후술되는 변각유닛(30)이 설치되어 위치 고정되기 위한 단차(도면부호 없음)가 형성되고, 일단은 유니트베어링을 관통하여 외측으로 소정 길이 돌출되며, 이렇게 돌출된 일단에는 발전기(도시하지 않음)와 연동되기 위한 기어(21) 등의 동력전달부재가 설치된다.
변각유닛(30)은 제1 회전축(20)의 양단 부분에 소정 간격 이격되어 한 쌍이 설치되고, 이에 의해 후술되는 날개(40)의 설치 각도를 조절하는 구성이다.
이러한 변각유닛(30)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 제1 회전축(20)이 관통되어 설치프레임(10)에 고정 설치되면서 소정 지름을 가지는 제1, 2 브래킷(B1, B2)이 설치되는 제1 회전축 보스(31A)와, 상기 제1, 2 브래킷(B1, B2) 사이를 연결하도록 방사상으로 복수 개가 설치되면서 복수 개의 날개(40)와 연결되는 제2 회전축(31B)과, 상기 제1 회전축 보스(31A)와 제2 회전축(31B)을 연결하면서 조류에너지 이용영역(A)에서 복수 개의 날개(40)가 조류의 방향과 수직이 되도록 각도를 조절하는 동력기어모듈과, 상기 제1 회전축 보스(31A)와 제2 회전축(31B)을 연결하면서 조류에너지 이용영역(A)과 조류에너지 저항영역(B) 사이에서 복수 개의 날개(40)의 각도가 조류의 방향과 수평이 되도록 조절하는 변각기어모듈 및 상기 제1 회전축 보스(31A)와 제2 회전축(31B)을 연결하면서 조류에너지 저항영역(B) 내에서 복수 개의 날개(40)의 각도가 조류의 방향과 수평을 유지하도록 하는 수평잡이기어모듈을 포함한다.
이때 동력기어모듈, 변각기어모듈 및 수평잡이기어모듈은 각각 소정 각도 범위에 기어가 부분 형성되면서 서로 중첩되지 않도록 엇갈리게 위치되고, 이에 의해 날개(40)가 제1 회전축(20)을 중심으로 공전될 때, 그 각도에 따라 동력기어모듈, 변각기어모듈 및 수평잡이기어모듈 중에서 선택된 어느 하나의 기어모듈의 영향만을 받게 된다.
또한, 제1, 2 브래킷(B1, B2)은 제1 회전축(20)을 중심으로 복수 개의 날개(40)가 공전할 수 있도록 연결하고, 이와 동시에 날개(40)의 공전을 통해 제1 회전축(20)이 함께 회전되도록 연동하는 구성으로, 이러한 제1, 2 브래킷(B1, B2)은 소정 지름을 가지는 링 모양의 링프레임(도면부호 없음)과, 상기 링프레임의 내측면에 열십자 모양으로 형성되는 설치부(도면부호 없음)를 포함하고, 이러한 설치부에는 제2 회전축(31B)과 후술되는 연동기어(32C, 34C)가 회전 가능하게 설치된다.
그리고 제1 브래킷(B1)은 제1 회전축(20)에 볼트 등의 체결부재를 이용하여 결합되고, 제2 브래킷(B1)은 제1 회전축 보스(31A)에 회전 가능하게 설치된다.
또한, 동력기어모듈은 도 4, 도 5(a), 도 6(a) 및 도 7에 도시된 바와 같이 제1 회전축 보스(31A)에 고정 설치되면서 조류에너지 이용영역(A) 상에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 동력기어(32A)와, 상기 제2 회전축(31B)에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 동력기어(32B) 및 상기 제1 브래킷(B1)에 회전 가능하게 설치되면서 제1, 2 회전축 동력기어(32A, 32B) 사이에 맞물리도록 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 연동기어(32C)를 포함한다.
이때 제1 회전축 동력기어(32A)의 기어는 도 8에 도시된 바와 같이 날개(40)가 가장 높은 위치에 위치되는 지점을 기준으로 양측 방향으로 90°에서 100°씩 총 180° ~ 200° 범위로 기어가 형성되고, 제2 회전축 동력기어(32B)와 연동기어(32C)는 외측면을 따라 전체적으로 기어가 형성되면서 날개(40)가 제1 회전축(20)을 기준으로 1회전(360°)될 때 날개(40)는 0.5회전(180°)되도록 2 : 1의 기어비로 형성된다.
이에 의해 제1 회전축(20)을 중심으로 날개(40)가 반시계 방향으로 회전 동작될 때, 연동기어(32C)를 통해 제2 회전축 동력기어(32B)가 시계 방향으로 상대적으로 역회전되게 되고, 그 결과 날개(40)가 시계 방향으로 회전(공전)되면서 도 9에 도시된 바와 같이 조류에너지 이용영역(A) 내에서 45°에서 90°로 날개(40)가 회전되어 조류의 방향과 수직이 되도록 조절된 다음, 다시 135°(-45°)로 회전되게 된다.
이와 같은 날개(40)의 각도 조절은 조류에너지 이용영역(A) 내에서 날개(40)가 조류의 힘을 최대로 이용하여 회전될 수 있도록 공전에 따른 날개 위치 변화와 조류의 이동방향을 고려한 최적의 날개 각도를 산출한 것으로부터 기인된다.
또한, 변각기어모듈은 도 4, 도 5(b) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이 제1 회전축 보스(31A)에 고정 설치되면서 조류에너지 이용영역(A)과 조류에너지 저항영역(B) 사이에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 변각기어(33A) 및 상기 제2 회전축(31B)에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 변각기어(33B)를 포함한다.
이때 제1, 2 회전축 변각기어(33A, 33B)는 도 10에 도시된 바와 같이 날개(40)가 제1 회전축(20)을 중심으로 반시계 방향으로 회전 동작(공전)될 때 제2 회전축(31B)이 반시계 방향으로 1 : 1 대응하여 회전되도록 1 : 1의 기어비로 형성된다.
그리고 제1 회전축 변각기어(33A)는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 기어가 22.5° 범위로 부분 형성되면서 후술되는 제1 회전축 수평잡이 기어(34A)의 기어가 형성되는 영역을 제외한 소정 각도 간격을 두고 한 쌍이 형성된다.
이때 제1 회전축 변각기어(33A)의 기어 범위는 20°~ 30°의 범위로 부분 형성되는 것으로 변경될 수 있고, 이 경우에는 제1 회전축 변각기어(33A)와 제2 회전축 변각기어(33B)가 서로 1 : 1의 기어비로 형성되는 대신 제2 회전축 변각기어(33B)가 제1 회전축(20)을 중심으로 20°~ 30°로 회전될 때 제2 회전축 변각기어(33B)가 45° 회전(자전)될 수 있는 적정의 기어비로 형성되게 된다.
이와 같은 제1 회전축 변각기어(33A)의 구성에 의해 조류에너지 이용영역(A)을 통과하여 조류에너지 저항영역(B)으로 이동되는 날개(40)가 22.5° 공전됨과 동시에 1 : 1 기어비로 인해 날개(40) 역시 22.5° 회전(자전)되게 되고, 그 결과 날개(40)가 제1 회전축(20)을 중심으로 22.5° 공전될 때 날개(40)의 공전 및 자전으로 인해 45° 회전되게 되면서 22.5°의 짧은 변각 구간만으로 날개(40)가 조류의 방향과 수평을 이루도록 빠르게 변각되게 된다.
한편, 수평잡이기어모듈은 도 4, 도 5(c), 도 6(c) 및 도 7에 도시된 바와 같이 제1 회전축 보스(31A)에 고정 설치되면서 조류에너지 저항영역(B) 상에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 수평잡이기어(34A)와, 상기 제2 회전축(31B)에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 수평잡이기어(34B) 및 상기 제2 브래킷(B2)에 회전 가능하게 설치되면서 제1, 2 회전축 수평잡이기어(34A, 34B) 사이에 맞물리도록 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 연동기어(34C)를 포함한다.
이때 제1, 2 회전축 수평잡이기어(34A, 34B)와 연동기어(34C)는 서로 맞물린 상태에서 날개(40)가 제1 회전축(20)을 중심으로 공전되는 각도와 제2 회전축 수평잡이기어(34B)가 자전되는 각도가 동일하도록 1 : 1의 기어비로 형성된다.
상기와 같은 수평잡이기어모듈의 구성에 의해 변각기어모듈을 통해 조류의 방향과 수평이 되도록 각도 조절된 날개(40)가 수평잡이기어모듈과 맞물리게 되면서 날개(40)가 제1 회전축(20)을 중심으로 반시계 방향으로 회전(공전)되는 각도만큼 시계 방향(역회전)으로 회전(자전)되면서 결과적으로 날개(40)의 각도가 조류의 방향과 수평을 이루는 상태로 유지되게 된다.
따라서 변각유닛(30)의 동력기어모듈, 변각기어모듈 및 수평잡이기어모듈을 통해 도 14에 도시된 바와 같이 조류에너지 이용영역(A)에서는 날개(40)의 각도가 조류의 방향과 45° ~ 90°가 되도록 유지되면서 조류에너지가 날개(40)에 전달되어 제1 회전축(20)을 기준으로 회전되게 되고, 조류에너지 저항영역(B)에서는 날개(40)의 각도가 조류의 방향과 수평(0°)을 이루도록 유지되면서 조류의 저항이 감소되게 된다.
날개(40)는 한 쌍의 변각유닛(30) 사이에 설치되어 조류에 의해 제1 회전축(20)을 회전시키는 구성이다.
이러한 날개(40)는 도 15(a, b)에 도시된 바와 같이 소정 넓이와 길이를 가지는 날개판(41)과, 상기 날개판(41)에 소정 간격을 두고 설치되어 날개판(41)의 강성을 보강하는 복수 개의 보강대(42)를 포함한다.
상기와 같은 날개(40)는 제1 회전축(20)을 중심으로 동일 간격을 두고 방사상으로 4 ~ 6개가 설치되면서 변각유닛(30)에 의해 날개(40)의 위치에 따라 각도가 조절되도록 양단이 제2 회전축(31B)에 각각 고정된다.
한편, 본 출원인은 본 발명에 따른 고효율 조류 발전장치와 종래의 조류 발전장치(공개특허공보 제2012-0116694호)의 조류에너지 이용영역(A)과 조류에너지 저항영역(B)에서의 날개(40) 각도 차이로 인한 저항에너지 비와 동력발생 에너지 비를 구하고, 그 결과를 도 17 및 도 18의 그래프를 통해 각각 나타내었다. 이때 그래프에서는 날개의 공전각도는 날개(40)가 바닥과 가장 근접하여 위치되는 지점을 0°로 하고, 이와 반대로 해수면과 가장 근접하여 위치되는 지점을 180°로 나타내었다.
또한, 본 발명에 따른 고효율 조류 발전장치와 종래의 조류발전장치의 날개 단면 두께, 날개 단면 폭 길이, 유속, 주속비(TSR) 및 날개의 회전속도는 동일한 값을 적용하였다.
그리고 날개의 공전 위치에 따라 형성되는 날개의 각도의 단면적을 추정하기 위한 유체의 흐름과 순방향의 날개폭은 아래의 수학식 1을 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00001
여기서,
Figure 112019034070907-pat00002
는 날개각도 형성에 따른 단면 높이이고,
Figure 112019034070907-pat00003
는 날개 단면의 길이이며,
Figure 112019034070907-pat00004
는 날개 형성 각도이다.
또한, 수차위치에 따라 형성된 날개각도의 날개 단면적을 추정하기 위한 유체의 흐름과 역방향 날개폭은 아래의 수학식 2를 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00005
여기서,
Figure 112019034070907-pat00006
은 날개각도 형성에 따른 단면 높이이고,
Figure 112019034070907-pat00007
는 날개 단면의 길이이며,
Figure 112019034070907-pat00008
는 날개 형성 각도이고,
Figure 112019034070907-pat00009
는 날개 단면 두께이다.
이에 더해 역방향 수차날개 회전에 의한 저항 벡터 비는 아래의 수학식 3을 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00010
여기서,
Figure 112019034070907-pat00011
은 유체 대항 벡터이고,
Figure 112019034070907-pat00012
는 유속에 대한 날개의 원주 속도 비이며,
Figure 112019034070907-pat00013
는 날개의 형성 각도이다.
또한, 대향류에 대한 저항속도 비는 아래의 수학식 4를 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00014
여기서,
Figure 112019034070907-pat00015
는 유체 대항 벡터이고,
Figure 112019034070907-pat00016
는 유체 속도이며,
Figure 112019034070907-pat00017
는 날개 형성 각도이다.
그리고 동력발생 속도 비는 아래의 수학식 5를 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00018
여기서,
Figure 112019034070907-pat00019
는 동력발생 벡터이고,
Figure 112019034070907-pat00020
는 유체 속도이며,
Figure 112019034070907-pat00021
는 날개 형성 각도이다.
이에 더해 대항에너지 비(
Figure 112019034070907-pat00022
)는 아래의 수학식 6을 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00023
또한, 동력에너지 비(
Figure 112019034070907-pat00024
)는 아래의 수학식 7을 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00025
그리고 동력에너지와 저항에너지의 차(
Figure 112019034070907-pat00026
)는 아래의 수학식 8을 통해 산출된다.
Figure 112019034070907-pat00027
상기와 같은 수학식 1 내지 수학식 8을 통해 산출된 저항에너지 비와 동력발생 에너지 비에 따르면, 도 17 및 도 18에 나타난 그래프에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 고효율 조류 발전기가 종래의 조류 발전기에 비해 상대적으로 조류에너지의 저항영역(B)에서의 에너지 손실이 적게 발생하는 것을 알 수 있다.
이는 즉, 조류에너지 이용영역(A)에서 발생하는 동력에너지에 의해 날개(40)가 회전(공전)되는 힘과 반대되는 힘이 적게 발생됨을 의미하고, 이를 통해 본 발명에 따른 고효율 조류 발전기는 날개(40)의 수평 유지 구간이 종래의 조류 발전기에 비해 더욱 길게 유지되면서 조류의 저항이 크게 감소되어 날개(40)의 회전 성능이 담보됨과 동시에 발전의 성능과 효율이 향상되는 것으로 볼 수 있다.
한편, 본 발명의 고효율 조류 발전장치는 도 18에 도시된 바와 같이 동일한 길이(L)와 높이(H)를 가지는 공간에 종래의 프로펠러 방식의 조류 발전장치(1)가 소정 간격을 두고 복수 개 설치되는 것에 비해 상대적으로 1대의 조류 발전장치만 설치하는 것이 가능하기 때문에 설치가 용이함과 동시에 설치비용이 감소되게 된다.
그리고 종래의 프로펠러 방식의 조류 발전장치(1)는 인접하여 설치될 경우 프로펠러로 인한 와류가 형성되므로 와류에 의한 조류의 간섭이 상호간에 발생하지 않도록 소정 간격 이격되어 설치되는데, 이 때문에 프로펠러 사이에 조류에너지를 이용하지 못하는 조류에너지 손실영역(C)이 크게 형성되는 반면, 본 발명에 따른 조류 발전장치는 길이 방향으로 소정 폭과 길이를 가지도록 날개(40)가 설치되므로 조류에너지의 영향을 받는 면적 차이가 필연적으로 발생하게 된다.
이와 같은 면적 차이는 결과적으로 동력(출력)의 차이를 발생하게 됨을 의미하게 된다. 여기서 유속에 따른 동력(출력)값은 일반적으로 아래의 수학식 9에 의해 계산되는데, 이러한 수학식 1을 살펴보면, 동일 유속( 및 수심)과 동일 효율에서는 단면적(
Figure 112019034070907-pat00028
)에 의해 동력(출력)이 결정됨을 알 수 있다.
Figure 112019034070907-pat00029
여기서,
Figure 112019034070907-pat00030
는 효율,
Figure 112019034070907-pat00031
는 비중,
Figure 112019034070907-pat00032
는 유속,
Figure 112019034070907-pat00033
는 날개의 동작 단면적,
Figure 112019034070907-pat00034
는 발생동력이다.
따라서 종래의 프로펠러 방식의 조류 발전기(1)의 프로펠러 단면적에 비해 상대적으로 본 발명에 따른 날개(40)의 단면적(
Figure 112019034070907-pat00035
)이 넓고, 그 결과 동일한 장소에 동일한 조건으로 조류 발전기가 설치되면 종래의 프로펠러 방식의 조류 발전기(1)에 비해 상대적으로 본 발명의 고효율 조류 발전기의 동력(출력)이 높아 더욱 많은 양의 전기 에너지를 생산할 수 있게 됨을 알 수 있다.
또한, 위에서는 본 발명에 따른 고효율 조류 발전장치가 해저에 설치되는 것으로만 도시되어 설명되었으나, 이와 달리 도 17에 도시된 바와 같이 소정 크기를 가지는 바지선(2)의 저면에 설치되는 것으로 변경되어도 무방하다. 이렇게 바지선(2)의 저면에 설치될 때에는 해저에 설치되는 것과 날개 방향이 상하 반대가 되도록 설치된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 제1, 2 회전축 동력기어가 연동기어에 의해 2 : 1의 기어비로 연결되고, 이로 인해 날개가 제1 회전축을 중심으로 90°로 회전될 때 날개가 45°로 회전되면서 조류의 방향과 수직이 되도록 조절되고, 조류에너지 이용영역에서 조류에너지 저항영역으로 또는 조류에너지 저항영역에서 조류에너지 이용영역으로 바뀌는 영역에서 서로 1 : 1의 기어비로 맞물리는 제1, 2 회전축 변각기어에 의해 조류의 방향과 45°에서 수평(0°)이 되도록 날개의 각도가 빠르게 변각될 수 있으며, 또한 제1, 2 회전축 변각기어에 의해 변각된 날개의 각도가 제1, 2 회전축 수평잡이기어를 통해 수평인 상태로 그대로 유지되게 되면서 조류에너지 저항영역 내에서 날개의 각도가 조류의 방향과 수평을 이루는 구간을 길게 함으로써 조류의 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 그 결과 조류에너지를 이용한 날개의 회전 속도가 담보되면서 발전 효율이 향상되게 된다.
위에서는 설명의 편의를 위해 바람직한 실시 예를 도시한 도면과 도면에 나타난 구성에 도면부호와 명칭을 부여하여 설명하였으나, 이는 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 도면상에 나타난 형상과 부여된 명칭에 국한되어 그 권리범위가 해석되어서는 안 될 것이며, 발명의 설명으로부터 예측 가능한 다양한 형상으로의 변경과 동일한 작용을 하는 구성으로의 단순 치환은 통상의 기술자가 용이하게 실시하기 위해 변경 가능한 범위 내에 있음은 지극히 자명하다고 볼 것이다.
1: 프로펠러 방식의 조류발전기
2: 바지선 10: 설치프레임
11: 수평프레임 12: 수직프레임
13: 설치판 14: 유니트베어링
20: 제1 회전축 30: 변각유닛
31A: 제1 회전축 보스 31B: 제2 회전축
32A: 제1 회전축 동력기어 32B: 제2 회전축 동력기어
32C: 연동기어 33A: 제1 회전축 변각기어
33B: 제2 회전축 변각기어 34A: 제1 회전축 수평잡이기어
34B: 제2 회전축 수평잡이기어
34C: 연동기어 40: 날개
41: 날개판 42: 보강대
A: 조류에너지 이용영역 B: 조류에너지 저항영역
B1: 제1 브래킷 B2: 제2 브래킷
C: 조류에너지 손실영역
H: 조류 발전장치의 설치 높이
L: 조류 발전장치의 설치 폭

Claims (5)

  1. 해저 또는 해상에 설치되는 설치프레임(10);
    상기 설치 프레임(10)에 수평 방향으로 소정 길이를 가지도록 설치되는 제1 회전축(20);
    상기 제1 회전축(20)의 양단 부분에 각각 설치되는 한 쌍의 변각유닛(30);
    상기 한 쌍의 변각유닛(30) 사이에 설치되어 상기 제1 회전축(20)을 중심으로 공전 및 자전하도록 구성되는 복수 개의 날개(40);
    를 포함하고,
    상기 한 쌍의 변각유닛(30)은,
    상기 제1 회전축(20)이 관통되어 상기 설치프레임(10)에 고정 설치되면서 소정 지름을 가지는 제1, 2 브래킷(B1, B2)이 설치되는 제1 회전축 보스(31A);
    상기 제1, 2 브래킷(B1, B2) 사이를 연결하도록 방사상으로 복수 개가 설치되면서 상기 복수 개의 날개(40)와 연결되는 제2 회전축(31B);
    상기 제1 회전축 보스(31A)와 상기 제2 회전축(31B)을 연결하면서 조류에너지 이용영역(A)에서 상기 복수 개의 날개(40)가 조류의 방향과 수직이 되도록 각도를 조절하는 동력기어모듈;
    상기 제1 회전축 보스(31A)와 상기 제2 회전축(31B)을 연결하면서 조류에너지 이용영역(A)과 조류에너지 저항영역(B) 사이에서 상기 복수 개의 날개(40)의 각도가 조류의 방향과 수평이 되도록 조절하는 변각기어모듈; 및
    상기 제1 회전축 보스(31A)와 상기 제2 회전축(31B)을 연결하면서 상기 조류에너지 저항영역(B) 내에서 상기 복수 개의 날개(40)의 각도가 조류의 방향과 수평을 유지하도록 하는 수평잡이기어모듈;
    을 포함하고,
    상기 동력기어모듈, 상기 변각기어모듈 및 상기 수평잡이기어모듈은,
    상기 복수 개의 날개(40)가 상기 제1 회전축(20)을 중심으로 공전하여 위치되는 각도에 따라 선택된 어느 하나의 기어모듈의 기어만이 맞물리도록 서로 엇갈린 위치에 기어가 부분 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 조류 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력기어모듈은,
    상기 제1 회전축 보스(31A)에 고정 설치되면서 상기 조류에너지 이용영역(A) 상에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 동력기어(32A);
    상기 제2 회전축(31B)에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 동력기어(32B); 및
    상기 제1 브래킷(B1)에 회전 가능하게 설치되면서 상기 제1, 2 회전축 동력기어(32A, 32B) 사이에 맞물리도록 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 연동기어(32C);
    를 포함하여, 상기 제1 회전축(20)을 중심으로 상기 복수 개의 날개(40)가 반시계 방향으로 회전 동작될 때, 상기 제2 회전축 동력기어(32B)에 의해 상기 제2 회전축(31B)이 시계 방향으로 역회전되면서 상기 복수 개의 날개(40)의 각도가 조절되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 조류 발전장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1, 2 회전축 동력기어(32A, 32B)가 상기 연동기어(32C)에 의해 서로 맞물린 상태에서 상기 제1 회전축(20)을 중심으로 상기 제2 회전축(31B)이 공전되는 회전각도 대비 상기 제2 회전축(31B)이 상기 제2 회전축 동력기어(32B)에 의해 자전되는 회전각도가 2 : 1이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 조류 발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 변각기어모듈은,
    상기 제1 회전축 보스(31A)에 고정 설치되면서 상기 조류에너지 이용영역(A)과 상기 조류에너지 저항영역(B) 사이에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 변각기어(33A); 및
    상기 제2 회전축(31B)에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 변각기어(33B);
    를 포함하고, 상기 제1, 2 회전축 변각기어(33A, 33B)가 서로 맞물린 상태에서 상기 제1 회전축(20)을 중심으로 상기 제2 회전축(31B)이 공전되는 회전각도 대비 상기 제2 회전축(31B)이 상기 제2 회전축 변각기어(33B)에 의해 자전되는 회전각도가 1 : 1이 되도록 구성되고,
    상기 제1 회전축 변각기어(43A)와 상기 제2 회전축 변각기어(43B)는,
    기어비가 1 : 1로 형성되며,
    상기 제1 회전축 변각기어(43A)는,
    기어가 20° ~ 30° 범위로 부분 형성되면서 소정 각도 간격을 두고 한 쌍이 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 조류 발전장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수평잡이기어모듈은,
    상기 제1 회전축 보스(31A)에 고정 설치되면서 상기 조류에너지 저항영역(B) 상에서 소정 각도 범위로 기어가 부분 형성되는 제1 회전축 수평잡이기어(34A);
    상기 제2 회전축(31B)에 고정 설치되면서 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 제2 회전축 수평잡이기어(34B); 및
    상기 제2 브래킷(B2)에 회전 가능하게 설치되면서 상기 제1, 2 회전축 수평잡이기어(34A, 34B) 사이에 맞물리도록 외측면을 따라 기어가 전체적으로 형성되는 연동기어(34C);
    를 포함하고,
    상기 제1, 2 회전축 수평잡이기어(34A, 34B)가 상기 연동기어(34C)에 의해 서로 맞물린 상태에서 상기 제1 회전축(20)을 중심으로 상기 제2 회전축(31B)이 공전되는 회전각도 대비 상기 제2 회전축(31B)이 자전되는 회전각도가 1 : 1이 되도록 구성되면서, 상기 제1 회전축(20)을 중심으로 상기 날개(40)가 반시계 방향으로 회전 동작될 때, 상기 연동기어(34C)에 의해 상기 제2 회전축 수평잡이기어(34B)가 시계 방향으로 역회전되어 상기 날개(40)의 각도가 수평 상태가 유지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 조류 발전장치.
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