KR102154935B1 - 파력과 조류력의 복합발전터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파력과 조류력을 함께 수용할 수 있는 복합발전터빈에 관한 것으로, 종래처럼 파력발전과 조류발전을 각각 분리한 터빈을 사용하는 개별 발전방식으로 시행하지 않고, 일련(一連)의 구동축(104)에 다수의 한방향클러치유닛(107)을 작용점으로 회전하는 부구(110) 달린 지랫대(106)를 설치하여 구동축(104)을 한방향으로 구동케 하고, 또한 상기 구동축(104)에 설치한 다수의 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 회전하는 경첩식가변익(111)을 설치하여 구동축(104)을 한방향으로만 구동케 함으로써, 파력발전과 조류발전을 일련의 구동축(104)에서 복합적으로 실행하여 총 가취에너지를 극대화시킨 고효율의 전력생산을 실현케하고, 특히 부구(110)의 상단만 해수면 위에 노출시켜 강한 태풍과 거친 파도에 대하여 안전한 내파성 발전을 수행할 수 있게 함을 특징으로 하는 파력과 조류력의 복합발전터빈에 관한 것이다.

Description

파력과 조류력의 복합발전터빈{Compound Turbine for wave and tidal current power}

본 발명은 파력과 조류력을 함께 수용할 수 있는 복합발전터빈에 관한 것으로, 종래처럼 파력발전과 조류발전을 각각 분리한 터빈을 사용하는 개별 발전방식으로 시행하지 않고, 일련(一連)의 구동축(104)에 다수의 한방향클러치유닛(107)을 작용점으로 회전하는 부구(110) 달린 지랫대(106)를 설치하여 구동축(104)을 한방향으로 구동케 하고, 또한 상기 구동축(104)에 설치한 다수의 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 회전하는 경첩식가변익(111)을 설치하여 구동축(104)을 한방향으로만 구동케 함으로써, 파력발전과 조류발전을 일련의 구동축(104)에서 복합적으로 실행하여 총 가취에너지를 극대화시킨 고효율의 전력생산을 실현케하고, 특히 부구(110)의 상단만 해수면 위에 노출시켜 강한 태풍과 거친 파도에 대하여 안전한 내파성 발전을 수행할 수 있게 함을 특징으로 하는 파력과 조류력의 복합발전터빈에 관한 것이다.

최근에는 친환경적인 녹색에너지로 풍력, 태양력, 조력 등의 자연력을 이용한 발전이 주목받고 있다. 수력 발전은 입지 조건 및 막대한 건설비, 화력 발전은 대기온난화 및 공해, 원자력은 주민의 입지 거부 및 방사능 문제 그리고 녹색에너지인 풍력, 태양력은 날씨 변화에 따른 안정적인 전력공급 문제, 댐을 이용하는 조력발전은 입지 조건과 건설비 등의 문제점이 있다.

이에 비해, 우리나라는 다도해로 이루어진 서해안과 남해안의 섬과 육지, 또는 섬과 섬 사이에 빠른 조류와 파도가 형성되는 해협 또는 수로가 산재하므로 이를 이용한 저비용의 친환경적인 조류발전과 파력발전을 실시할 수 있는 가능성이 매우 풍부하다. 특히, 조류는 밀물과 썰물이 일정한 조석주기(潮汐週期)에 의해 반복되므로 충분히 발전량의 예측이 가능하여 계획적인 전력생산을 실행할 수 있는 장점을 가지고 있다.

대표적인 조류발전의 방식은 내부에 발전장치를 구비한 타워형 구조물을 바다에 설치하는 방식, 축류식 블레이드를 내장한 구조물을 해저 또는 해중에 설치하는 방식, 발전용 수차가 설치된 선박 같은 부유체를 이용하는 방식으로 구분된다.

대표적인 파력발전의 방식은 수면에 떠 있는 부체가 파랑의 운동에 의하여 상하 또는 회전운동을 하도록 하여 발전기를 회전시키는 가동물체형 방식과, 파랑의 작용에 의하여 공기실 내의 공기가 압축, 팽창될 때 노즐을 통하여 발생하는 공기흐름으로 터빈을 돌려 발전하는 진동수주방식이 주류를 이루고 있다.

다만, 종래의 파력발전, 조류발전 시스템은 각각 기능이 상이하여 분리된 발전방식으로 시행되었고, 하나의 큰 발전단지를 구축하고 여기에 파력, 조류력, 풍력, 태양광 등 여러 종류의 해양발전유닛을 분리 배치하는 플랜트형의 발전방식은 시도되었으나, 본 발명과 같이 일련(一連)의 구동축에서 파력발전과 조류발전을 함께 시행하는 터빈을 개발하려는 시도는 없었다.

이렇듯 파력발전과 조류력발전을 하나의 구동축을 이용한 복합발전터빈으로 개발하려는 시도가 없었던 중요한 이유는 아마도 파력은 파도가 수직으로 작용하는 에너지이고, 조류력은 밀물과 썰물이 수평으로 작용하는 에너지이기 때문에 이를 하나의 구동축에서 함께 수용하는 새로운 발전방식을 고려하여 창안할 엄두가 나지 않았을 것이다.

한국등록특허 제10-1788239호 한국등록특허 제10-1263678호 한국등록특허 제10-1178482호 일본공개특허 특개평7-301171호 한국등록특허 제10-1597998호 한국등록특허 제10-1633705호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 종래처럼 파력발전과 조류발전을 서로 분리한 터빈을 사용하는 개별 발전방식으로 시행하지 않고 일련(一連)의 구동축(104)에 설치한 다수의 한방향클러치유닛(107)을 작용점으로 부구(110) 달린 지랫대(106)가 구동축(104)을 한방향으로만 구동케 하고, 또한 상기 구동축(104)에 설치한 다수의 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 회전하는 경첩식가변익(111)이 구동축(104)을 한방향으로만 구동케 하여, 파력발전과 조류발전을 일련의 구동축(104)에서 복합적으로 실행하여 저비용으로 총 가취에너지가 극대화된 고효율의 전력생산을 실현케 하고, 특히 부구(110)의 상단만 해수면 위에 노출시킨 내파성터빈으로 강한 태풍과 거친 파도에 대하여 안전한 발전을 수행토록 하는 것이다.

본 발명은 상기한 과제를 달성하기 위한 것으로서,

도 1에 나타낸 바와 같이, 일련(一連)의 구동축(104)에 한방향클러치유닛(107)을 작용점으로 하여 회전하는 지렛대(106)와, 이 지렛대(106)의 양단부에 케이블(109)로 연결한 부구(110)와, 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 하여 회전하는 경첩식가변익(111)을 장착하고, 이러한 구동축(104)을 자재이음(105)으로 다수 연결하여서 된 것이다.

한편 도 2 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기한 경첩식가변익(111)은 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 회전하는 가변익삽입축(111d)에 원통캠(111a)을 끼워 돌기(111b)를 기준으로 캠홈(111h)의 유격 만큼에서 좌우로 회전되도록 하여서 된 것이다.

본 발명은 종래처럼 파력발전과 조류력발전을 따로 분리된 터빈을 사용하는 개별 발전방식이 아니고, 파력 및 조류력발전을 수행하는 복합발전터빈이 일련의 구동축(104)에서 동일한 방향으로 구동케 함에 따라 하나의 발전기에서 파력 및 조류의 에너지를 동반상승작용(synergy)이 발휘되는 방식으로 취합하여 매우 적은 설비 비용으로 총 가취에너지가 극대화된 고효율의 전력생산을 실현할 수 있으며. 특히 부구(110)의 상단만 해수면 위에 노출되는 내파성 터빈으로 설계되어 강력한 태풍과 거친 파도에 대비하여 안전한 발전을 수행할 수 있는 등의 장점을 지니고 있다.

도 1은 본 발명의 복합발전터빈 정면도,
도 2는 밀물시 우경사로 변화되는 경첩식가변익(104)의 원통캠부분 단면도,
도 3은 썰물시 좌경사로 변화되는 경첩식가변익(104)의 원통캠부분 단면도,
도 4는 정조시의 조류발전터빈 단면도 및 한방향클러치의 사시단면도,
도 5는 도 2에 표시된 A부분의 사시단면도,
도 6은 파도(W0, W1, W2)에 따라 기울기가 변하는 파력발전터빈의 정면도,
도 7은 본 발명의 파력발전터빈 단면도 및 한방향클러치의 사시단면도,
도 8은 구동축과 지랫대가 빗각으로 프렌지 결합된 평면도,
도 9는 본 발명의 복합발전터빈을 다단으로 연장한 정면도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 파력과 조류력의 복합발전터빈에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이, 다수의 자재이음(105)으로 연결한 일련의 구동축(104)에 한방향클러치유닛(107)을 작용점으로 하여 회전하는 지렛대(106)를 장착하고, 이 지렛대(106)의 양단에는 케이블(109)로 연결된 부구(110)를 장착하여 파도의 요동에 의해 부구(10)가 움직이면 상기 구동축(104)이 항상 한방향으로만 구동되도록 하고, 또한 상기한 일련의 구동축(104)에는 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 하여 회전하면서 조류의 진행 방향으로 기울기가 변화되는 경첩식가변익(111)을 장착하여 조류의 방향이 바뀌어도 상기 구동축(104)이 항상 한방향으로만 구동되도록 하여서 된 것이다.

일반적으로 조류발전용 수평축형 고정익은 밀물(T1)과 썰물(T2)의 조류에 대응하여 각각 반대 방향으로 구동된다. 그러나 본 발명과 같이 파력과 조류력의 복합발전을 실현하기 위해에서는 파력발전용터빈과 조류력발전용터빈의 구동회전방향을 동일한 같은 방향으로 일치시킬 필요가 있다.

즉, 본 발명의 조류력발전용터빈은 도 2에 나타낸 바와 같이, 밀물(T1)이 흐를 때는 가해진 조류에 대응하여 날개의 기울기가 우경사로 변화되고, 썰물(T2)이 흐를 때는 도 3에 나타낸 바와 같이 가해진 조류에 대응하여 날개의 기울기가 좌경사로 변화되는 경첩식가변익(111)을 구성하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 경첩식가변익(111)은 도 2 내지 도 5에 나타낸 바와 같이 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 회전하는 가변익삽입축(111d)에 원통캠(111a)을 끼워 돌기(111b)를 기준으로 캠홈(111h)의 유격 만큼에서 좌우로 회전하는 경첩식가변익(111)으로 구성되어 있다.

그러므로 본 발명의 경첩식가변익(111)은 밀물(T1)이 흐르면 가변익삽입축(111d)을 중심으로 원통캠(111a)이 돌기(111b)에 거치되는 캠홈(111h)의 유격 만큼 우회전하여 경첩식가변익(111)의 기울기가 도 2에 나타낸 바와 같이 우경사로 변화되며, 반대로 썰물(T2)이 흐르면 가변익삽입축(111d)을 중심으로 원통캠(111a)이 돌기(111b)에 거치된 캠홈(111h)의 유격만큼 좌회전하여 경첩식가변익(111)의 기울기가 도 3에 나타낸 바와 같이 좌경사로 변화되는 특성을 갖고 있다.

즉, 밀물(T1)이 흘러도 경첩식가변익(111)이 우경사로 변하면서 구동축(104)이 시계방향으로 회전되고, 썰물(T2)이 흘러도 경첩식가변익(111)이 좌경사로 변하면서 구동축(104)이 동일한 시계방향으로 회전되므로, 자재이음(105)으로 연결된 일련의 모든 구동축(104)은 항상 일치된 한방향으로만 구동되는 특성을 지니게 된다. 그러므로 이러한 경첩식가변익(111)은 교차하는 밀물(T1)과 썰물(T2)의 조류에 구별없이 구동축(104)이 조류에 대응하여 항상 한쪽 방향으로만 회전되어 밀물(T1)과 썰물(T2)의 양방향 에너지를 모두 수용할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 파력발전용터빈은 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 구동축(104)에 한방향클러치유닛(107)을 작용점으로 하여 회전하는 지렛대(106)를 장착하고, 이 지렛대(106)의 양단에 케이블결속구(108)에 의해 케이블(109)로 연결된 부구(110)를 장착함으로써, 요동하는 파도(W0, W1, W2)에 의해 부구(10)가 각기 상하로 움직이면서 지랫대(106)가 기울어질 때마다 한방향클러치유닛(107)의 기능으로 상기 구동축(104)이 한방향으로만 구동하게 되는 특성을 지니고 있다.

즉, 상술한 바와같이 파력용터빈과 조류용터빈이 모두 한방향클러치유닛(107, 112)을 작용점으로 하여 함께 동일한 한방향으로만 구동축(104)을 구동 함으로써, 자재이음(105)으로 연결된 일련의 구동축(104)이 동일한 발전기(103)를 구동하게 되므로 파력과 조류력의 복합발전을 실현할 수 있게 된다.

한편, 상기한 한방향클러치유닛(107, 112)은 도 4 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 한방향클러치유닛(107, 112)에 결합된 외륜(a2)과 구동축(104)에 결합된 내륜(a1) 사이에 베어링(b), 캠(c), 스프링(s)을 갖추고 있다. 이러한 한방향클러치[one-way clutch, cam clutche]는 파력발전용터빈과 조류력발전용터빈에 의해 구동축(104)이 항상 한방향으로만 구동되게 하고 역회전시에는 공회전 되도록 하기 위해 설치된 것이다.

그리고 일련의 구동축(104)을 연장하는데 필요한 자재이음(105)은 후렉시블 조인트[Flexile Joint]를 통칭하는 것으로 유니버설 조인트[universal joint]를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 도 6 내지 도 7에 나타낸 바와 같이 구동축(104)과 지랫대(106)가 직각으로 교차되도록 하는 것이 일반적이지만, 도 8에 나타낸 바와 같이 구동축(104)과 지랫대(106)가 빗각으로 프렌지(F)에 의해 결합할 수도 있다. 조류의 진행방향과 파도의 너울이 진행하는 방향이 현저히 다르다고 판단된 경우 파도의 너울이 진행하는 방향을 고려하여 지랫대(104)를 사각으로 설치하는 것이 바람직할 수도 있다.

아직까지 설명하지 않은 발전선(101)은 발전기(103)가 설치된 선박으로 해저에 고정되는 닻줄(102)에 의해 정박되는 것이다. 그리고 캠홈 덮개(111c)는 경첩식가변익(111)에 구성한 캠홈(111h)과 돌기(111b)가 외부로 노출되지 않도록 보호하는 것이다. 그리고 가변익틀(111g)은 경첩식가변익(111)의 형태를 필요한 넓이로 유지시키는데 필요한 뼈대이다. 그리고 방수천막(111f)은 상기 경첩식가변익(111)의 외곽에 씌워지는 방수포장재이다.

앞에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예는 종래처럼 파력발전과 조류력발전을 따로 분리된 터빈을 사용하는 개별 발전방식이 아니고, 파력 및 조류력발전을 수행하는 복합발전터빈이 일련의 구동축(104)에서 동일한 방향으로 구동케함으로써 하나의 발전기에서 파력 및 조류의 에너지를 동반상승작용[synergy]이 발휘되는 방식으로 취합하여 매우 적은 설비 비용으로 총 가취에너지가 극대화된 고효율의 전력생산을 실현할 수 있으며. 특히 부구(110)의 상단만 해수면 위에 노출되는 내파성의 터빈으로 설계되어 강력한 태풍과 거친 파도에 대비하여 안전하게 발전을 수행할 수 있는 등의 장점을 지니고 있다.

이상의 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

101: 발전선, 102: 닻줄,
103: 발전기, 104: 구동축,
105: 자재이음, 106: 지랫대,
107: 한방향클러치유닛, 108: 케이블결속구,
109: 케이블, 110: 부구,
111: 경첩식가변익, 112: 한방향클러치유닛,
111a: 원통캠, 111b: 돌기,
111c: 캠홈 덮개, 111d: 가변익삽입축,
111e: 베어링, 111f: 방수천막,
111g: 가변익틀, 111h: 캠홈,
a1: 내륜, a2: 외륜,
b: 베어링, c: 캠,
s: 스프링, F: 플랜지.
T1: 밀물, T2: 썰물,
W0, W1, W2: 다양한 높이의 파도,

Claims (2)

1. 일련(一連)의 구동축(104)에 한방향클러치유닛(107)을 작용점으로 하여 회전하는 지렛대(106)와, 이 지렛대(106)의 양단부에 케이블(109)로 연결한 부구(110)와, 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 하여 회전하는 경첩식가변익(111)을 장착하고, 이러한 구동축(104)을 자재이음(105)으로 다수 연결하여서 된 것을 특징으로 하는 파력과 조류력의 복합발전터빈.
2. 제 1항에 있어서, 상기한 경첩식가변익(111)은 한방향클러치유닛(112)을 작용점으로 회전하는 가변익삽입축(111d)에 원통캠(111a)을 끼워 돌기(111b)를 기준으로 캠홈(111h)의 유격 만큼에서 좌우로 회전되도록 하여서 된 것을 특징으로 하는 파력과 조류력의 복합발전터빈.

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