KR102275278B1 - 선박용 풍력 발전장치 및 풍력발전 기능을 갖는 선박 - Google Patents

선박용 풍력 발전장치 및 풍력발전 기능을 갖는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박에 설치되어 항진과정에서의 선박속력 또는 선박에 가해지는 바람속력을 통해 전력을 발전할 수 있으며, 부가적으로 발전된 전력을 이용하여 수소를 생산할 수 있는 선박용 풍력 발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박에 관한 것으로, 선박을 이루는 선체의 일부분에 탈부착 가능하게 설치되면서 방향조절이 가능하게 설치되며, 선박에 가해지는 바람에 의해 회전하면서 회전에너지를 제공하는 적어도 하나의 로터모듈; 및 상기 로터모듈의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 결합되어 상기 하나의 로터모듈과 한 조를 이루며, 상기 로터모듈의 회전에 의해 연동하면서 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 발전모듈을 포함한다.

Description

선박용 풍력 발전장치 및 풍력발전 기능을 갖는 선박{WIND POWER GENERATING APPARATUS AND VESSEL WITH FUNCTION OF WIND POWER GENERATION}
본 발명은 선박용 풍력발전장치 및 풍력발전 기능을 갖는 선박에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박에 설치되어 항진과정에서의 선박속력 또는 선박에 가해지는 바람속력을 통해 전력을 발전할 수 있으며, 부가적으로 발전된 전력을 이용하여 수소를 생산할 수 있는 선박용 풍력발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 대형 수평축 풍력발전기는 대기 상층바람의 흐름을 수평으로 부딪쳐 회전에너지로 변환하는 거대한 로터와 바람의 마찰저항을 상대적으로 적게 받는 로터 허브 뒷쪽에 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전시스템이 설비된 나셀이 결합한 형태로 발전 용량을 위해 더 높은 풍력타워와 더 넓은 로터 회전반경의 날개를 개발하고 있다. 그 결과 풍력타워는 높아지고 더불어 로터와 나셀의 중량도 증가하고 있다.
그런데, 기존의 풍력발전기는 풍력타워 상부에 설비되는 로터 날개와 발전시스템의 자체 무게 때문에 나셀 내부에 복수의 발전 시스템을 설비하는 것이 불가능하여 건설에 요구되는 넓은 대지면적이나 수역에 비해 그리고 건설 비용에 비해서 발전 용량을 대폭 증가할 수 없는 단점이 있다. 그리고 결정적으로 바람이 4m/s이상 강하게 불지 않으면 발전이 불가능하고 또 너무 강한 바람은 오히려 고장이나 화재의 위험이 된다. 그렇지만 대기 상층의 고속의 바람을 이용하기 위해서 경쟁적으로 더 높고 더 넓은 회전반경의 로터를 개발하면서 더불어 강한 회전력을 이용한 발전시스템도 함께 발전하여 현재 1기의 대형 수평축 풍력발전기에서 10~12MW 용량의 전력 발전이 가능하다.
한편, 현존하는 대형 컨테이너 선박의 경우 12~14m/s의 선속을 가지고 있다. 이러한 고속선이 해상 평균풍속의 바람 속력 8~12m/s를 정면에서 25~30도 빗겨 맞는다면 두 힘은 대략 최소 20m/s의 벡터 속력으로 이는 선박에서 받는 바람의 상대 속력이 되며 최소한 선박 속력 10~12m/s 이상의 바람 에너지원에 플러스 알파인 해상 평균 바람풍속을 확보하는 것이다.
이와 같이 바람 방향에 25~30도 사선으로 항해하는 항법을 Heave to 항법이라 하는데, 목적항이 있는 선박이 해상의 악천후 기상에서 화물과 선체를 보호하기 위한 항법으로 선박 전장에 걸쳐 바람과 파도의 힘을 분산시키기 위함이다. 또한 선박은 선박 고유의 특징인 이동성과 침로유지성을 가지고 있어 해상 수역이 허락하는 한 언제든 선박 진로를 원하는 대로 변침하여 침로를 유지할 수 있으며 속력을 줄일 수 있고 배를 돌려 바람을 선미로 받으며 항해할 수 있어 바람에 어떤 방향으로도 침로 유지가 가능하다.
여기서, 상기의 침로 유지성을 이용하여 선박에서 바람 방향을 따라 사선으로 Heave to항법 침로를 유지한다면 바람의 상대 속력을 선 외측 전장에 걸쳐 전력 발전에 이용 가능하여 선박을 화물의 운송수단이 아닌 운송수단이 추가된 친환경 신재생 해상발전선으로 이용할 수 있다.
또한 대형 선박은 말 그대로 선체 내에 대형의 공간을 확보하고 있다. 상선에 필수 공간인 선체 종방향으로 중앙의 화물창 구역, 화물창 양편과 선저에 위치한 평형수 구역, 기관구역 그리고 브릿지 및 거주구역이 있고 여기에 선체 종강도와 횡강도를 고려한 선박의 감항성 확보를 위한 각종 공간이 선체 내부에 설비되는데 이는 선체 상하좌우 많은 공간을 활용할 수 있다는 걸 의미한다.
관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1304912호에 개시된 풍력발전기 설치용 선박 및 이를 이용한 풍력발전기 설치 방법이 있다.
이러한 선행기술은 풍력발전기의 부품들이 내장될 수 있는 공간을 갖는 건식 카고와 내부 공간으로 물이 진입할 수 있도록 통로가 형성되며, 측벽에 회동 가능하게 설치된 격문이 설치된 습식 카고, 및 풍력발전기의 부품들을 이동하기 위하여 고정 설치된 크레인을 포함하는 구성이다.
그런데, 상기와 같은 선행기술은 풍력발전기를 선박에 용이하게 설치하기 위한 기술일 뿐, 종래의 수평회전식 풍력발전기를 사용하는 기술이어서 선박의 운행시에는 작동이 어렵고 선박을 정지시킨 상태로만 발전을 수행하는 한계가 있다.
이에 따라, 선행기술은 선박에 가해지는 바람속력을 통해서만 발전을 수행하므로 발전용량에 한계를 나타내는 문제점이 있다.
한편, 친환경 수소를 생산하기 위해서는 여러 방법이 있는데 그중 물을 전기 분해하는 친환경 수전해방법이 있다.
여기서, 육상에서의 수전해는 화석연료 기반 발전소나 원전에서 생산된 전력을 사용하기 때문에 친환경이라 할 수 없고, 고가의 발전소 전력을 사용하여야 하므로 수전해에 이상적인 고효율의 높은 과전압을 물의 전기분해에 이용할 수 없을 뿐만 아니라 생산 효율도 매우 낮다. 또한 유휴 전력을 이용하여야 하는 관계로 수소 생산량이 극히 미미하여 현재는 천연가스 개질 방식으로 생산하거나 석유화학 제품공정에서 나오는 부생수소를 이용하거나 아예 외국에서 수입하여 수요를 충족하고 있지만 수요량에 비해 공급은 극히 제한적이고 수전해 이외의 방식은 공해를 발생시켜 친환경이라 할 수 없다. 수소연료전지 보급이 확대되어 수요가 증가할수록 수소 가격은 더 높아질 수밖에 없다. 이러한 이유로 각국은 경쟁적으로 무한의 친환경 수소를 생산하기 위해 저 전압으로도 대량의 수소를 생산하기 위한 촉매 개발과 같은 다양한 연구개발에 박차를 가하고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1304912호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 선박에 가해지는 바람속력은 물론 선박의 항진과정에서의 선박속력을 이용하여 풍력발전을 수행함으로써 발전효율이 극대화될 수 있는 선박용 풍력발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박을 제공하는 데 목적이 있다.
구체적으로, 본 발명은 종래의 수평축 회전방식이 아닌 수직축 회전방식을 통해 풍력발전을 수행함으로써 선박의 안정적인 항진을 도모할 수 있는 선박용 풍력발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박을 제공하는 데 목적이 있다.
궁극적으로, 본 발명은 선박에 풍력발전소를 구축함으로써 육지에 설치된 기존의 풍력발전기에서 발생하는 문제, 즉 환경파괴 문제, 설치비용의 문제, 소음발생문제, 유지보수문제, 화재에 취약한 문제 등을 해소할 수 있는 선박용 풍력발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 풍력발전에 의해 발전된 전력을 이용하여 수소를 생산함으로써 기존의 수소생산 방법에 비해 친환경적이고 수전해 방법을 통해 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있는 선박용 풍력발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박을 제공하는 데 목적이 있다.
개시되는 실시예들에서 얻을 수 있는 기술적 과제는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 개시되는 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 하나의 실시예에 따른 선박용 풍력 발전장치는, 선박을 이루는 선체의 일부분에 탈부착 가능하게 설치되면서 방향조절이 가능하게 설치되며, 선박에 가해지는 바람에 의해 회전하면서 회전에너지를 제공하는 적어도 하나의 로터모듈; 및 상기 로터모듈의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 적층된 상태로 결합되어 상기 하나의 로터모듈과 한 조를 이루며, 상기 로터모듈의 회전에 의해 연동하면서 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 발전모듈을 포함하고, 상기 로터모듈은, 상기 선체에 방향조절이 가능하게 설치되어 지지력을 제공하며, 사방이 개구된 상태로 형성되어 바람을 사방으로 유입하는 로터하우징; 상기 로터하우징에 회전가능하게 설치되어 상기 로터하우징으로 유입되는 바람에 의해 회전하며, 상기 발전모듈에 연결되어 회전에너지를 상기 발전모듈에 전달하는 로터유닛; 상기 로터하우징의 양측방 중 상기 선체쪽측방 및 상기 로터하우징의 후방을 차폐하면서 상기 로터하우징의 양측방 중 상기 선체의 바깥쪽측방 및 상기 로터하우징의 전방으로만 바람유입구를 형성하여 바람의 유입을 허용하는 역풍차단판; 및 상기 로터하우징의 상기 바람유입구에 설치되어 바람을 상기 바람유입구로 집풍시키면서 유입되는 바람을 상기 로터유닛의 회전방향으로 안내하는 집풍가이드를 포함하며, 상기 집풍가이드는, 상기 바람유입구의 길이방향을 따라 설치되어 상기 바람유입구를 상하로 분할하는 수평가이드판; 상기 바람유입구의 길이방향을 따라 설치되어 상기 바람유입구를 좌우로 분할하면서 상기 수평가이드와 함께 관체형을 이루는 복수의 단위유입구를 형성하되, 상기 로터유닛의 회전방향을 향해 기울어진 경사를 가지며, 상기 수평가이드와 함께 형성하는 상기 단위유입구의 유로의 크기를 입구에서 출구로 갈수록 점점 좁아지도록 형성하는 수직가이드판; 및 상기 단위유입구의 상부 및 하부에 형성되어 상기 단위유입구를 상기 로터하우징의 높이보다 높게 확장하되, 유로의 크기를 입구에서 출구로 갈수록 점점 좁아지도록 형성하는 확장집풍부를 포함한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 풍력 발전 기능을 갖는 선박은, 해상을 항진하면서 선체의 정면 또는 사선 방향으로 바람이 가해지는 선박에 있어서, 선박을 이루는 선체를 구성하는 갑판에 설치되어 선체에 가해지는 바람에 의해 전력발전을 수행하되, 복수로 구성되어 상기 갑판의 양측에 설치되면서 상기 갑판의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배치되는 풍력 발전장치를 포함한다.
또한, 상기 선박은, 상기 선체에 가해지는 바람의 풍향에 대하여 사선 각도를 이루는 방향으로 상기 선체를 항진할 수 있다.
또한, 상기 선체에 설치되어 상기 풍력 발전장치에 연결되며, 상기 풍력 발전장치에서 발전되는 전력을 기반으로 수소를 생산하는 수소생성모듈; 및 상기 선체에 구비되어 상기 수소생성모듈에서 생산되는 수소를 압축저장하는 수소저장모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 풍력 발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박에 의하면, 선박에 풍력발전소를 구축함으로써 지속적으로 능동적인 풍력발전을 수행할 수 있고, 이에 따라 육지에 설치된 종래의 풍력발전기에서 발생하는 문제들을 모두 해소할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명은 선박에 가해지는 바람속력은 물론 선박의 항진과정에서의 선박속력을 이용하여 풍력발전을 수행함으로써 발전효율이 극대화될 수 있으며, 수평축 회전방식이 아닌 수직축 회전방식을 통해 풍력발전을 수행함으로써 안정적인 항진 및 풍력발전을 도모할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 풍력발전에 의해 발전된 전력을 이용하여 수소를 생산함으로써 친환경적이면서도 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
나아가 본 발명에 따른 풍력 발전장치 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박을 대량화하여 운행한다면 풍력발전에 의핸 전기에너지와 무공해 수소에너지자원을 확보할 수 있으므로 화석연료기반 발전소나 원전을 대체할 수 있으며, 일상 생활과 산업에 쓰이는 모든 내연기관 연료를 친환경 수소연료전지용 수소로 대체할 수 있으므로 지구 온난화에 대한 문제 해결에 기여할 수 있다.
개시되는 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 개시되는 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 풍력 발전 기능을 갖는 선박을 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 풍력 발전장치를 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 풍력 발전장치의 로터모듈을 나타내는 분해사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 로터모듈의 로터하우징을 나타내는 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 로터모듈을 나타내는 종단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 로터하우징의 풍량조절도어를 나타내는 사시도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 로터유닛을 나타내는 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 로터유닛을 확대하여 나타내는 사시도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 로터유닛을 나타내는 사시도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 풍력 발전장치를 나타내는 분해사시도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 발전모듈을 나타내는 사시도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 로터모듈과 발전모듈을 나타내는 계통도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 풍력 발전기능을 갖는 선박을 나타내는 구성도이다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일 실시예에 따른 선박용 풍력 발전장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 선체(20)에 설치되어 풍력 발전 기능을 갖는 선박(1)을 이루는 것으로, 선박에 가해지는 바람속력 또는 선박의 항진 과정에서 발생하는 선박속력 모두를 이용하여 풍력 발전을 수행할 수 있는 장치이다.
이러한 선박용 풍력 발전장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 복수를 이루면서 선체(20)를 구성하는 갑판의 양측, 즉 좌현 및 우현의 길이방향을 따라 소정의 간격을 이루도록 설치될 수 있다.
풍력 발전장치(10)들이 설치된 선박(1)은 항진과정에서 자체의 선박속력 및 해상의 평균풍속의 바람속력의 두 힘을 선박 고유의 특성인 침로유지성을 이용하여 두 힘의 벡터 힘인 바람의 상대속력을 풍력발전에 이용하는 원리이다.
여기서, 선박(1)은 바람속력을 선체(20)의 정면에서만 받으면 선수 최전방에 위치한 풍력 발전장치(10)의 전면부와 선체(20)의 바깥쪽 양측방에 대응하는 바깥쪽측면부만 두 힘(선박속력 및 바람속력)의 벡터 힘을 이용할 수 있고 2열부터 선미 쪽으로 위치한 발전장치(10)들은 선박속력의 힘만 바깥쪽측면부에서 이용하여 풍력발전을 수행할 수 있다.
한편, 선박(1)은 바람속력의 풍향을 선체의 침로유지성을 이용하여 실제 풍향에 사선 각도로 항진하게 되면 선체(2) 측면 전장에 걸쳐 배치된 모든 풍력 발전장치(10)에서 두 힘(선박속력 및 바람속력)의 벡터 힘을 이용함으로써 원활한 풍력발전을 수행할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 기능을 갖는 선박(1)은 선체(20)에 가해지는 바람의 풍향에 대하여 사선 각도를 이루는 방향으로 선체(20)를 항진하면서 풍력발전을 수행하는 것이 바람직하다.
물론, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전장치(10)는 고속의 속력을 가진 대형선박에 적용되어 고속선박의 항진 시 자체 선박속력에 의한 바람만으로도 풍력발전을 수행할 수도 있다.
즉, 본 발명에 따른 풍력 발전장치(10)는 바람이 불기만 바라는 수동적인 풍력발전 시스템이 아닌 자체 속력을 가진 선박을 이용하여 바람을 스스로 만들고, 해류를 발생시키는 해상 평균풍속의 바람 속력을 이용하여 365일 24시간 언제나 발전이 가능하고 필요시 발전량을 조절할 수 있는 능동적인 풍력발전을 수행할 수 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 풍력 발전장치(10)의 구체적인 구성 및 기능을 설명한다.
본 발명의 선박용 풍력 발전장치(10)는 크게 도 2 및 도 10에 도시된 바와 같이 로터모듈(100) 및 발전모듈(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 로터모듈(100)은 선박(1)이 항진하면서 받는 바람의 상대속력 에너지를 회전에너지로 전환하는 기능을 하는 구성요소로, 선체(10)의 일부분에 탈부착 가능하게 설치되면서 방향조절이 가능하게 설치될 수 있다.
여기서, 로터모듈(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 복수로 구성되어 선체(20)를 구성하는 갑판의 좌현 및 우현의 길이방향을 따라 설치될 수 있으나 이에 한정하지 않으며 바람속력 및 선박속력에 의한 상대속력을 받을 수 있는 위치라면 어느 위치라도 무방하다.
이러한 로터모듈(100)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 로터하우징(110), 로터유닛(120) 및 역풍차단판(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 로터하우징(110)은 후술되는 로터유닛(120)을 회전가능하게 지지하기 위한 지력을 제공하는 구성요소로, 선체(20)에 방향조절이 가능하게 설치됨으로써 선체(20)의 전방이나 측방을 향해 조절될 수 있다.
이러한 로터하우징(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 기둥 및 보를 통해 사방이 개구된 함체형의 골격구조로 형성됨으로써 바람을 사방으로 유입할 수 있다.
여기서, 로터하우징(110)은 선체(20)에 직접적으로 설치될 수 있으며, 후술되는 발전모듈(200)이 하부에 설치될 경우에는 발전모듈(200)을 매개로 선체(20)에 설치될 수 있다.
상기 로터유닛(120)은 바람에 의한 회전에너지를 생성하여 후술되는 발전모듈(20)에 제공하는 구성요소로, 로터하우징(110)에 회전가능하게 설치됨으로써 로터하우징(10)으로 유입되는 바람에 의해 회전하면서 회전에너지를 생성할 수 있으며, 후술되는 발전모듈(200)에 연결되어 회전에너지를 발전모듈(200)에 전달할 수 있다.
이러한 로터유닛(120)은 수평형 회전방식이 아닌 수직형 회전방식으로 구성됨으로써 선체(10)의 한정된 공간을 적개 차지할 수 있으며, 이에 따라 로터하우징(110) 및 발전모듈(200)과 함께 단위모듈을 이루면서 복수로 선체(20)에 설치될 있다.
구체적으로, 로터유닛(120)은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 로터회전체(121), 로터디스크(122) 및 날개부재(123)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 로터회전체(121)는 로터하우징(110)에 회전가능하게 설치되어 후술되는 로터디스크(122) 및 날개부재(123)에 의해 회전하며, 발전모듈(200)과 연결됨으로써 발전모듈(200)을 함께 회전시키는 구성요소이다.
이러한 로터회전체(121)는 도 8에 도시된 바와 같이 로터축(121a), 로터본체(121b) 및 동력전달부(121c)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 로터축(121a)은 회전중심을 이루는 것으로 로터하우징(110)에 고정될 수 있다.
상기 로터본체(121b)는 로터축(121a)에 회전가능하게 결합되어 로터축(121a)을 중심으로 회전하는 구성요소이다.
이러한 로터본체(121b)는 관체형을 이루면서 로터축(121a)에 회전가능하게 끼워져 결합됨으로써 로터축(121a)을 중심으로 회전할 수 있으며, 방사형으로 연장되는 복수의 연결대들이 구비될 수 있다.
상기 동력전달부(121c)는 로터본체(121b)와 후술되는 발전모듈(200)을 연동 가능하게 연결하는 구성요소이다.
구체적으로, 동력전달부(121c)는 도 12에 도시된 바와 같이 로터본체(121b)의 길이방향 단부에 각각 결합되는 커플링으로 구성될 수 있으며, 일측면이 로터본체(121b)에 맞물린 상태로 결합되면서 타측면이 발전모듈(200)의 발전회전축(223)에 맞물린 상태로 결합됨으로써 로터본체(121b)의 회전운동을 발전모듈(200)에 전달할 수 있다.
상기 로터디스크(122)는 로터회전체(121)의 외곽을 따라 설치되어 후술되는 날개부재(123)의 설치공간을 제공하는 구성요소이다.
구체적으로, 로터디스크(122)는 환형을 이루는 한 쌍의 판으로 형성되어 서로 이격된 상태를 이루면서 로터회전체(121)의 외곽을 따라 설치될 수 있다.
상기 날개부재(123)는 바람에 의해 가압되면서 회전력을 생성하는 구성요소로, 복수를 이루면서 한 쌍의 로터디스크(122)의 이격공간을 따라 설치되어 로터하우징(110)의 바람유입구로 유입되는 바람에 의해 가압됨으로써 로터디스크(122) 및 로터회전체(121)를 회전시킬 수 있다.
이러한 날개부재(123)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 항력식날개판(123a) 및 분산날개(123b)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 항력식날개판(123a)은 로터하우징(110)으로 유입되는 바람이 흘러 나가지 않고 날개판의 전면에 걸쳐 부딪쳐 흐르면서 항력을 발생시킬 수 있도록 회전방향으로 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 분산날개(123b)는 항력식날개판(123a)의 후면부에 설치되어 항력식날개판(123a)에 흐르는 바람을 가두는 효과와 함께, 유입된 바람을 상하로 분산시킴으로써 로터하우징(110)의 중앙쪽 상하부로 바람이 배출될 수 있도록 할 수 있다.
이와 달리, 날개부재(123)는 도 9에 도시된 바와 같이 양력식날개판(123c) 및 날개보강판(123d)을 포함하여 구성될 수도 있다.
양력식날개판(123c)은 로터하우징(110)으로 유입되는 바람을 통해 양력을 발생시킬 수 있는 형태로 형성될 수 있으며, 날개보강판(123d)은 양력식날개판(123c)의 후면에 수직방향을 따라 복수로 설치되어 양력식날개판(123c)의 강성을 보강할 수 있다.
여기서, 로터하우징(110)에 설치된 로터유닛(120)은 선체(20) 갑판의 좌현 및 우현의 길이방향을 따라 설치됨으로써 로터하우징(110)의 양측방 중 선체(20)의 바깥쪽(해상쪽)측방과 선체의 전방쪽에서 바람속력 및 선박속력에 의한 바람의 상대속력이 가해질수 있다.
상기 역풍차단판(130)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 로터하우징(110)의 후방과 선체쪽측방을 차폐함으로써 로터하우징(110)의 선체바깥쪽측방과 전방쪽에만 바람의 유입구를 형성하여 바람의 유입을 허용하는 구성요소이다.
즉, 로터하우징(110)은 역풍차단판(130)에 의해 선체쪽측방 및 후방이 차폐됨으로써 선체(20)의 정면 및 바깥쪽측면 쪽에서만 바람이 유입될 수 있으며, 로터유닛(120)은 로터하우징(110)의 정면 및 바깥쪽측면에서 유입되는 바람을 통해 회전하면서 회전에너지를 발전모듈(200)에 전달할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 로터모듈(100)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 집풍가이드(140)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 집풍가이드(140)는 전술한 역풍차단판(130)에 의해 로터하우징(110)의 정면 및 바깥쪽측면에 형성된 바람유입구에 설치되어 바람을 집풍시켜 안내하는 구성요소이며, 유입되는 바람을 로터유닛(120)의 회전방향으로 안내하는 구성요소이다.
이러한 집풍가이드(140)는 복수의 수평가이드판(141) 및 수직가이드판(142)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 수평가이드판(141)은 로터하우징(110)의 정면 및 바깥쪽측면에 형성된 바람유입구를 상하로 분할하는 구성요소로써, 복수로 구비되어 로터하우징(110)의 바람유입구를 복수 개로 상하 분할할 수 있다.
또한, 수직가이드판(142)은 로터하우징(110)의 정면 및 바깥쪽측면에 형성된 바람유입구를 좌우로 분할하는 구성요소로, 복수로 구성되어 로터하우징(110)의 실이방향을 따라 소정의 간걱으로 설치될 수 있다.
이러한 수직가이드판(142)은 복수로 구성되어 로터하우징(110)의 바람유입구를 좌우로 분할할 수 있으며, 전술한 수평가이드(141)와 함께 관체형을 이루는 복수의 단위유입구를 형성할 수 있다.
여기서, 수직가이드판(142)은 도 5에 도시된 바와 같이 로터유닛(120)의 회전방향을 향해 기울어진 경사를 갖도록 연장되거나 로터유닛(120)이 원주방향을 향해 절곡된 상태로 연장형성됨으로써 로터하우징(110)의 바람유입구로 유입되는 바람을 로터유닛(120)의 회전방향으로 안내할 수 있다.
이러한 수직가이드판(142)은 로터유닛(120)의 회전방향을 향해 경사상태를 이루면서 연장됨으로써 수평가이드(141)와 함께 형성하는 단위유입구의 유로의 크기를 입구에서 출구로 갈수록 점점 좁아지도록 형성할 수 있다.
이에 따라, 바람은 수직가이드판(142) 및 수평가이드(141)에 형성된 단위유입구를 통해 유입되면서 단위유입구의 유로가 점점 좁아짐으로써 유속이 증가하면서 유입될 수 있으며, 로터유닛(120)의 회전방향으로 안내되어 배출됨으로써 로터유닛(120)을 원활하게 회전시킬 수 있다.
한편, 집풍가이드(140)는 도 3 및 도 10에 도시된 바와 같이 로터하우징(110)의 측방으로 돌출되면서 로터유닛(120)의 회전반경 면적보다 넓은 풍압면적을 확보할 수 있으며, 상부 및 하부에 확장집풍부(145)가 구비되어 로터하우징(110)의 높이보다 높게 단위유입구를 확장함으로써 바람의 풍압면적을 넓힐 수 있다.
한편, 한편, 일 실시예에 따른 로터모듈(100)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 풍량조절도어(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
풍량조절도어(150)는 로터하우징(110)의 정면 및 바깥쪽측면에 형성된 바람유입구를 개폐함으로써 바람유입구로 유입되는 풍량을 조절하기 위한 구성요소이다.
*구체적으로, 풍량조절도어(150)는 도 6에 도시된 바와 같이 대략 반원형을 이루는 판 형태로 형성될 수 있으며, 로터유닛(120)의 외곽을 따라 형성되는 레일(151)에 슬라이드 가능하게 결합될 수 있다.
이러한 풍량조절도어(150)는 로터하우징(110)의 바람유입구 방향으로 이동하면서 바람유입구를 폐쇄하거나 바람유입구의 반대방향으로 이동하면서 바람유입구를 개방할 수 있다.
여기서, 풍량조절도어(150)는 도 6에 도시된 바와 같이 레일(151)에 인접 설치된 모터(152)의 작동을 통해 자동으로 이동하면서 바람유입구를 개폐할 수도 있다.
이러한 모터(152)는 선박(1)의 중앙통제실에 유선 또는 무선으로 연결되어 중앙통제실의 원격제어를 통해 작동하면서 풍량조절도어(150)를 개폐할 수 있다.
한편, 전술한 로터하우징(110)에는 로터유닛(120)의 회전수를 검출하기 위한 미도시된 RPM센서가 구비될 수 있으며, 모터(152)는 RPM센서에서 감지되는 로터유닛(120)의 회전수를 기반으로 풍량조절도어(150)를 작동시키면서 바람유입구로 유입되는 풍량을 조절할 수 있다.
상기 발전모듈(200)은 전술한 로터모듈(100)과 한 조를 이루면서 로터모듈(100)의 회전에 의해 연동하여 회전에너지를 전기에너지로 전환함으로써 전력을 발전하는 구성요소이다.
이러한 발전모듈(200)은 도 10에 도시된 바와 같이 복수로 구성되어 로터모듈(100)의 상부 및 하부에 적층된 상태로 결합될 수 있으며, 이와 달리 단수로 구성되어 로터모듈(100)의 상부나 하부에 적층된 상태로 결합될 수도 있다.
또한, 발전모듈(200)은 로터모듈(100)의 상부나 하부에 복층을 이루면서 적층된 상태로 형성될 수도 있다.
구체적으로, 발전모듈(200)은 도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같이 발전하우징(210) 및 발전유닛(220)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 발전하우징(210)은 후술되는 발전유닛(220)의 설치공간을 이루면서 지지력을 제공하는 구성요소이다.
이러한 발전하우징(210)은 복수의 기둥 및 보를 통해 사방이 개구된 함체형의 골격구조로 형성됨으로써 내부에 발전유닛(220)의 설치공간을 제공할 수 있으며, 로터모듈(100)을 구성하는 로터하우징(110)의 상부 또는 하부에 설치되어 지지력을 제공할 수 있다.
또한, 발전하우징(210)은 골격구조로 형성되어 바람의 소통로가 형성됨으로써 로터하우징(110)에서 배출되는 바람을 외부로 배출할 수 있다.
상기 발전유닛(220)은 발전하우징(210)에 설치되어 로터모듈(100)에 연결되며, 로터모듈(100)에 의해 회전하면서 회전에너지를 전기에너지로 전환하여 전력을 발전하는 구성요소이다.
즉, 발전유닛(220)은 로터모듈(100)을 구성하는 로터유닛(120)의 회전에 의해 연동하면서 전력을 발전할 수 있다.
구체적으로, 발전유닛(220)은 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 컨버터룸(221), 발전회전축(223), 메인기어박스(224), 샤프트(225) 및 발전기(226)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 컨버터룸(221)은 후술되는 구성품들의 설치공간을 제공하면서 전력의 발전공간을 이루는 구성요소이다.
구체적으로, 컨버터룸(221)은 함체형으로 형성되어 발전하우징(210)에 설치될 수 있다.
이러한 컨버터룸(221)은 선체(20)의 길이방향으로 길게 연장되도록 혈성될 수 있으며, 길이방향의 양단 중 발전하우징(210)의 전방 쪽, 즉 선체(20)의 전방 쪽 단부가 반원형의 곡면으로 형성될 수 있다.
즉, 컨버터룸(221)은 바람이 가해지는 방향의 단부가 반원형의 곡면으로 형성됨으로써 바람을 양측으로 안내하면서 저항을 감소시킬 수 있다.
상기 발전회전축(223)은 로터모듈(100)의 회전력을 전달받아서 회전하는 구성요소이다.
이러한 발전회전축(223)은 컨버터룸(221)에 수직방향으로 회전가능하게 설치될 수 있으며, 도 12에 도시된 바와 같이 로터유닛(120)의 로터회전체(121)를 구성하는 로터본체(121b)에 연결됨으로써 로터회전체(121)의 회전에 의해 회전할 수 있다.
이러한 발전회전축(223)은 전술한 동력전달부(121c)에 맞물린 상태로 결합됨으로써 로터본체(121b)와 연결되어 연동할 수 있다.
상기 메인기어박스(224)는 발전회전축(223)의 회전방향을 전환시키기 위한 구성요소이다.
이러한 메인기어박스(224)는 윤활유가 내장된 베벨기어 등의 조합으로 구성되어 발전회전축(223)에 연결됨으로써 수직방향의 발전회전축(223)의 회전을 수평방향으로 전환할 수 있다.
여기서, 메인기어박스(224)는 도 11에 도시된 바와 같이 복수로 구성되어 발전회전축(223)의 회전력을 복수로 분산시킬 수도 있다.
상기 샤프트(225)는 메인기어박스(224)에 연결된 상태로 수평방향으로 연장됨으로써 메인기어박스(224)에서 전환된 회전력을 통해 회전하면서 발전회전축(233)과 연동할 수 있다.
이러한 샤프트(225)는 도 12에 도시된 바와 같이 단수로 구성되어 메인기어박스(224)의 일방향으로만 연장될 수 있으며, 도 11에 도시된 바와 같이 복수로 구성되어 메인기어박스(224)의 양방향으로 연장되어 복수의 출력축을 이룰 수 있다.
상기 발전기(226)는 샤프트(225)에 연결되어 샤프트(225)의 회전을 통해 전기에너지를 발전하는 통상의 부재이다.
이러한 발전기(226)는 하나의 샤프트(225)와 한 조를 이루면서 전기에너지를 발전할 수 있으며, 샤프트(225에 설치되는 증속기어박스, 브레이크시스템, 고속샤프트, 컨버터 등과 함께 설치되어 전력을 발전할 수 있다.
여기서, 전술한 발전회전축(223)은 도 12에 도시된 바와 같이 메인기어박스(224)와, 샤프트(225) 및 발전기(226)와 한 조를 이루면서 구성될 수 있으며, 각 조가 로터모듈(200)을 구성하는 로터본체(121b)의 상부 및 하부에 각각 설치되어 제각기 전력을 발전할 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이 로터모듈(100)의 하부에 메인기어박스(224), 샤프트(255) 및 발전기(226)를 4개조로 구성할 경우에는 하나의 로터모듈(100)로 총 4기의 발전부를 구동할 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이 로터모듈(100)의 상부 및 하부에 각각 메인기어박스(224), 샤프트(255) 및 발전기(226)를 4개조로 구성할 경우에는 하나의 로터모듈(100)로 총 8기의 발전부를 구동할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 풍력 발전 기능을 갖는 선박(1)은 도 13에 도시된 바와 같이 수소생성모듈(30) 및 수소저장모듈(40)이 구비됨으로써 풍력 발전장치(10)에서 발전되는 전력을 기반으로 수소를 생산할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 선박(1)은 상술한 복수의 풍력 발전장치(10)를 구동하여 대용량 전력을 발전하고, 발전된 전력을 풍력발전기 하부의 고전압실(미도시)로 송전한다.
고전압실로 송전된 전력의 일부는 수전해에 이상적인 과전압으로 변환되어 수소생성모듈(30)로 보내져 물의 전기분해에 인가함으로써 수소를 생산할 수 있다.
또한 고전압실로 송전된 전력의 다른 일부는 수소가스 압축에 이상적인 전압으로 전환되어 선체 중앙 각층에 위치하는 수소압축실로 보내져 수소를 압축하여 수소저장모듈(40)에 저장할 수 있다.
또한 고전압실로 송전된 전력의 또 다른 일부는 선박추진이나 각종 펌프의 구동과 같은 선박운항에 필요한 전력과, 풍력발전기 구동 및 각종 수소생산에 필요한 기타 전력에 사용할 수 있다.
이와 같이 대형 선박의 선체(20)내에 넓고 다양한 공간을 수소 생산 및 압축저장 공간으로 활용하여 동시다발적으로 다양한 공간에서 단시간에 대량의 수소를 생산하는 하기의 시스템을 구축한다.
선체 각 구획마다 위치하는 복수의 수소생산실(30)에서 생산된 수소는 메인수소관을 통하여 선체 중앙 각층에 위치하는 수소압축실로 보내지며, 수소압축실에서 압축된 압축수소는 수소분배관을 따라 화물창에 위치하는 컨테이너 탱크나 LNG수송선과 같은 대형 수소저장탱크와 같은 수소저장모듈에 저장할 수 있다.
선체 내에 존재하는 각종 공간의 활용에 있어서 평형수탱크나 보이드 스페이스는 그 존재 이유만큼의 역할 공간만 남기고 수소생산 및 압축설비로 전용할 수 있으며, 선박의 종강도나 횡강도에 영향을 미치지 않는 범위에서 최대한 안전하게 많은 수소생산 설비를 구축하여 갑판상에서 생산되는 풍부한 전력을 활용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 압축 저장할 수 있다.
또한, 생산된 수소는 선박 자체의 추진체의 추진력으로 압축 저장된 수소를 육상의 조선소나, 컨테이너 부두 또는 LNG전용선 부두로 운송하여 하역할 수 있으며, 또한 생산된 전력과 수소의 일정량은 선박 추진용으로 기관구역에 위치하게 되는 대형축전지(미도시)나 수소연료전지용 탱크(미도시)에 저장되고 또 다른 전력과 수소의 일정량은 수소생산과 같은 선박운항 및 풍력발전기용 축전지(미도시)나 수소연료전지 탱크(미도시)에 저장되거나 직접 사용될 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 일 실시예에 따른 선박용 풍력 발전장치(10) 및 풍력 발전 기능을 갖는 선박(1)에 의하면, 선박(1)에 풍력발전소를 구축함으로써 지속적으로 능동적인 풍력발전을 수행할 수 있고, 선박(1)에 가해지는 바람속력은 물론 선박의 항진과정에서의 선박속력을 이용하여 풍력발전을 수행함으로써 발전효율이 극대화될 수 있으며, 풍력발전에 의해 발전된 전력을 이용하여 수소를 생산함으로써 친환경적이면서도 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
상술된 실시예들은 예시를 위한 것이며, 상술된 실시예들이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 상술된 실시예들이 갖는 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 명세서를 통해 보호 받고자 하는 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 풍력 발전기능을 갖는 선박
10 : 풍력 발전장치
20 : 선체
30 : 수소생성모듈
40 : 수소저장모듈
100 : 로터모듈
110 : 로터하우징
120 : 로터유닛
121 : 로터회전체
121a : 로터축
121b : 로터본체
121c : 동력전달부
122 : 로터디스크
123 : 날개부재
123a : 항력식날개판
123b : 분산날개
123c : 양력식날개판
123d : 날개보강판
130 : 역풍차단판
140 : 집풍가이드
141 : 수평가이드판
142 : 수직가이드판
145 : 확장집풍부
150 : 풍량조절도어
151 : 레일
152 : 모터
200 : 발전모듈
210 : 발전하우징
220 : 발전유닛
221 : 컨버터룸
223 : 발전회전축
224 : 메인기어박스
225 : 샤프트
226 : 발전기

Claims (4)

  1. 선박의 항진 시, 선박에 가해지는 바람에 의해 전력발전을 수행하는 풍력 발전장치에 있어서,
    선박을 이루는 선체의 일부분에 탈부착 가능하게 설치되면서 방향조절이 가능하게 설치되며, 선박에 가해지는 바람에 의해 회전하면서 회전에너지를 제공하는 적어도 하나의 로터모듈; 및
    상기 로터모듈의 상부 및 하부 중 적어도 하나에 적층된 상태로 결합되어 상기 하나의 로터모듈과 한 조를 이루며, 상기 로터모듈의 회전에 의해 연동하면서 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 발전모듈을 포함하고,
    상기 로터모듈은,
    상기 선체에 방향조절이 가능하게 설치되어 지지력을 제공하며, 사방이 개구된 상태로 형성되어 바람을 사방으로 유입하는 로터하우징;
    상기 로터하우징에 회전가능하게 설치되어 상기 로터하우징으로 유입되는 바람에 의해 회전하며, 상기 발전모듈에 연결되어 회전에너지를 상기 발전모듈에 전달하는 로터유닛;
    상기 로터하우징의 양측방 중 상기 선체쪽측방 및 상기 로터하우징의 후방을 차폐하면서 상기 로터하우징의 양측방 중 상기 선체의 바깥쪽측방 및 상기 로터하우징의 전방으로만 바람유입구를 형성하여 바람의 유입을 허용하는 역풍차단판; 및
    상기 로터하우징의 상기 바람유입구에 설치되어 바람을 상기 바람유입구로 집풍시키면서 유입되는 바람을 상기 로터유닛의 회전방향으로 안내하는 집풍가이드를 포함하며,
    상기 집풍가이드는,
    상기 바람유입구의 길이방향을 따라 설치되어 상기 바람유입구를 상하로 분할하는 수평가이드판;
    상기 바람유입구의 길이방향을 따라 설치되어 상기 바람유입구를 좌우로 분할하면서 상기 수평가이드와 함께 관체형을 이루는 복수의 단위유입구를 형성하되, 상기 로터유닛의 회전방향을 향해 기울어진 경사를 가지며, 상기 수평가이드와 함께 형성하는 상기 단위유입구의 유로의 크기를 입구에서 출구로 갈수록 점점 좁아지도록 형성하는 수직가이드판; 및
    상기 단위유입구의 상부 및 하부에 형성되어 상기 단위유입구를 상기 로터하우징의 높이보다 높게 확장하되, 유로의 크기를 입구에서 출구로 갈수록 점점 좁아지도록 형성하는 확장집풍부를 포함하는 풍력 발전 기능을 갖는 선박용 풍력 발전장치.
  2. 해상을 항진하면서 선체의 정면 또는 사선 방향으로 바람이 가해지는 선박에 있어서,
    제 1 항에 의해 이루어지고, 상기 선체를 구성하는 갑판에 설치되어 선체에 가해지는 바람에 의해 전력발전을 수행하되, 복수로 구성되어 상기 갑판의 양측에 설치되면서 상기 갑판의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배치되는 풍력 발전장치를 포함하는 풍력 발전 기능을 갖는 선박.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 선박은,
    상기 선체에 가해지는 바람의 풍향에 대하여 사선 각도를 이루는 방향으로 상기 선체를 항진하는 풍력 발전 기능을 갖는 선박.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 선체에 설치되어 상기 풍력 발전장치에 연결되며, 상기 풍력 발전장치에서 발전되는 전력을 기반으로 수소를 생산하는 수소생성모듈; 및
    상기 선체에 구비되어 상기 수소생성모듈에서 생산되는 수소를 압축저장하는 수소저장모듈을 더 포함하는 풍력 발전 기능을 갖는 선박.
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