KR20050055634A - 구조물 외부의 수위변화에 의한 구조물 내·외부 물과 공기의 압력차이를 발전에 사용하는 조력에의한 청정에너지 생산용 고효율 복합발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연 법칙을 이용한 기술적 사상의 창조로 고도한 것으로 기존의 조력발전 형태는 그 기본이 조석간만의 차가 큰 곳이어야 그 입지가 검토되고 하루 중 두 번 밀물 때 일정량의 바닷물을 육지와 인접한 저수지에 모아 두어 썰물 때 내보내면서 발전기를 돌리는 비효율적인 방식이었다. 본 발명은 이러한 방식에서 벋어나 육상에서는 이미 설치한 기존의 시설을 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 해상에서는 기존의 조력발전 형태와는 전혀 다른, 상부와 하부에 임의의 구멍이 뚫리고 수면에 의하여 하부가 밀폐되는 구조물 내에서 조력에 의한 조수간만의 차이나, 인위적인 수위의 조절에 의한 수위의 변화를 발전에 사용하는 것으로, 상부와 하부에 임의의 구멍이 뚫리고 수면에 의하여 하부가 밀폐되는 구조물 내에서 외부수위의 변화에 따른 내부 수위에 의한 내부수압의 변화에 의하여 발생하는 구조물 내부 공기압의 변화를 이용하여, 압축된 구조물 내부공기의 배출과 외부공기의 흡입과정에서 발생하는 공기의 흐름을 인위적인 통로를 경유하게 하여 발전에 직접 이용하는 발전방식과, 구조물 외부 수위의 변화에 의하여 구조물 내부로 유입되거나 배출되는 물의 흐름을 구조물 내부의 인위적인 통로를 경유하게 함으로 발전에 직접 이용하는 발전방식과, 필요에 의하면 구조물 외벽에 태양열 발전패널을 도배하여, 하나의 시설에서 수위의 변화에 의한 공기압을 이용한 발전방식과 수압을 이용한 발전방식, 구조물 외부의 태양열발전 등을 모두 활용할 수 있도록 하여 발전력을 증가시키는 방식으로 본 발명은 시간의 구애 없이 발전을 할 수 있으며 조석간만의 차가 클수록 그 효율이 좋아지지만 간만의 차가 적은 곳에서도 효율적으로 발전을 할 수 있는 방식이며 내륙에서도 본 발명을 활용하면 댐에서의 수력발전시 추가적인 전력생산을 할 수 있는 고효율 발전방식이다.

Description

구조물 외부의 수위변화에 의한 구조물 내·외부 물과 공기의 압력차이를 발전에 사용하는 조력에의한 청정에너지 생산용 고효율 복합발전장치{the composite power station system from tidal power, compressed air, compressed water and solar energy}

본 고안은 수위의 차이에 의한 구조물 내부의 공기압력과 수압에 의한 복합발전장치에 관한 것으로, 조수간만의 차이가 클수록 발전효율이 높지만 적은 조수간만의 차이로도 발전이 용이하고 바다와 내륙 어디에서건 발전을 할 수 있도록 한 복합발전장치에 관한 것이다.

전기를 생산하는 방법에는 수력발전, 화력발전, 원자력발전 등이 널리 사용되고 있고, 일부 특정지역에서 풍력을 이용한 발전방법이 사용되고 있다. 화력발전장치는 화석 연료를 사용하는 것으로 화석 연료 자원이 고갈될 뿐 아니라, 공해의 유발로 환경에 끼치는 피해가 심각하며, 수력발전장치는 넓은 지역을 수몰시켜야 하므로, 지역주민 이주에 따른 사회적 문제와 자연생태계의 파손을 야기하는 문제점이 있고, 원자력 발전장치는 핵연료의 사용에 따른 안전성에 문제가 있다. 또한, 발전과정에서 발생하는 원자력의 폐기물 및 오염물질 등에 의해 환경을 오염시키게 되어 생명을 위협하는 심각한 문제로 대두하고 있다. 그리하여 세계적으로 청정에너지를 사용하는 기술의 개발에 박차를 가하고 있다. 자연을 이용한 발전장치로는 햇빛과 태양열을 이용한 발전장치와, 풍력을 이용한 풍력발전장치 및 바다의 조수간만의 차를 이용한 조력발전장치, 동 생물 유기체를 각종 가스, 액체 혹은 고형연료로 변환하거나 이를 연소하여 열, 증기 혹은 전기를 생산하는데 응용되는 화학, 생물, 연소공학 등을 일컬은 바이오에너지발전, 폐기물에너지발전, 가스화복합발전, 수소에너지발전, 지열발전 등이 있다. 이 중에서 종래의 조력발전장치는 만조 시 댐에 담수 하였다가 간조 시 방류하여 그 낙차를 이용하여 발전기용 터빈을 회전시키는 방식이다. 그러나 조수간만의 차를 이용하는 발전장치는 조수간만의 차이가 큰 일부의 지역에 넓은 범위의 연해나 연안에 거대한 댐을 건설하여야 하기 때문에 막대한 시설비용이 필요할 뿐만 아니라, 바다의 일부를 바다와 차단하게 되므로 생태계를 파괴하고, 많은 어류가 터빈을 통과하는 과정에서 어류폐사가 일어나고, 무엇보다도 간조시에만 발전이 가능하여 만조 시에는 발전이 불가능함으로, 발전효율 면에서 뒤떨어질 뿐 아니라 조류의 유속과 압력을 이용하여 발전기용 터빈을 회전시키는 조력발전장치는 유속이 느린 곳보다 빠른 장소에 만조와 간조시 수위의 차이가 큰 곳에 설치해야하므로 설치장소에 제약이 따르는 문제점으로 인해 조력발전장치 등 수위를 이용한 발전장치는 널리 보급되지 못하는 단점이 있었다.

에너지 관리공단의 기술개발결과 및 실용화 관련 나라별 조력발전 양으로 카나다는 20MW급 가동중이며 프랑스는 240MW급 운영중이고 중국은 30MW급 가동중이다.

조력발전은 아직까지도 미 개발분야로 위 나라에서는 하루에 두 번 발전을 하는 원시적인 방식인 댐을 쌓아서 발전을 하는 방식을 채택하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 선행 기술의 문제점을 해결함으로 창안된 것으로, 조력이나 인위적인 수위 조절에 의한 상부와 하부에 임의의 구멍이 뚫리고 수면에 의하여 하부가 밀폐되는 구조물 내부의 수위 상승력과 수위 하강력으로 발생하는 구조물 내부의 공기압의 변화와 구조물 내부로 유입 또는 배출되는 수압에 의한 물의 흐름을 발전에 직접 이용하는 방식의 기술로 동시에 태양열 발전도 이용하여 하나의 구조물로 다양하게 존재하는 자연에너지를 이용하도록 하는 조력발전 또는 수력, 풍력, 태양열발전이 하나의 시설 위에서 동시에 이루어지도록 하는 복합발전기관의 개발에 있다. 본 발명은 자연 법칙을 이용한 기술적 사상의 창조로 고도한 것으로 기존의 조력발전 형태는 그 기본이 조석간만의 차가 큰 곳이어야 그 입지가 검토되고 하루 중 두 번 밀물 때 일정량의 바닷물을 육지와 인접한 저수지에 모아 두어 썰물 때 내보내면서 발전기를 돌리는 비효율적인 방식이었다. 본 발명은 이러한 방식에서 벋어나 내륙에서는 이미 설치한 기존의 시설을 보다 효율적으로 사용할 수 있으며, 해상에서는 기존의 조력발전 형태와는 전혀 다른, 상부와 하부에 임의의 구멍이 뚫리고 수면에 의하여 하부가 밀폐되는 구조물 내에서 조력에 의한 조수간만의 차이나, 인위적인 수위의 조절에 의한 수위의 변화를 발전에 사용하는 것으로, 수면에 의하여 밀폐된 구조물 내에서 외부수위의 변화에 따른 내부 수위에 의한 내부수압의 변화에 의하여 발생하는 구조물 내부 공기압의 변화를 이용하여, 수압에 의해 발생하는 공기압의 변화를 이용하여, 압축된 구조물 내부공기의 배출과 외부공기의 흡입과정에서 발생하는 공기의 흐름을 인위적인 통로를 경유하게 하여 발전에 직접 이용하는 발전방식과, 구조물 외부 수위의 변화에 의하여 구조물 내부로 유입되거나 배출되는 물의 흐름을 구조물 내부의 인위적인 통로를 경유하게 함으로 발전에 직접 이용하는 발전방식과, 필요에 의하면 구조물 외벽에 태양열 발전패널을 도배하여, 하나의 시설에서 수위의 변화에 의한 공기압을 이용한 발전방식과 수압을 이용한 발전방식, 구조물 외부의 태양열발전을 모두 활용할 수 있도록 하여 발전력을 증가시키는 방식으로 본 발명은 시간의 구애 없이 발전을 할 수 있으며 조석간만의 차가 클수록 그 효율이 좋아지지만 간만의 차가 적은 곳에서도 효율적으로 발전을 할 수 있는 방식이다.

도 1은 만조와 간조의 차이가 6a에 해당할 때를 예로 만조 시에도 구조물 내부 상층은 a의 공간(12)을 항시 유지하고 구조물의 내부 밑면 또한 간조시에도 a에 해당하는 만큼 수면에 의해 항상 잠겨있는 구조물로써, 간조에서 시작하여 구조물 외부로의 수위가 높아지기 시작하면 (9)를 통하여 구조물 내부로 바닷물이 유입되어 만조시기까지 내부공간(11)을 채우며 이때 유입되는 물의 수압을 이용하여 하부구조물을 발전하고 동시에 구조물의 내부공간이 바닷물로 채워짐에 따라 압축되는 내부공기는 상부구조물(2)의 (7)을 통하여 인위적인 통로를 이동하며 발전을 하며 (8)을 통해 구조물 밖으로 배출된다. 역으로 만조에서 간조로의 진행시에는 도 3에서와 같이 바람의 방향만이 바뀐 채 상부에서의 발전과 하부에서의 발전은 동시에 진행하게 된다. 유입되거나 배출되는 물과 공기의 양과 속도는 (7),(8),(9),(10)의 넓이를 조절하여 그 양과 속력을 조절하며 넓이를 줄여 완전히 차단하면 발전을 정지시켜 수리 등 부가적인 작업을 할 수 있으며, 발전구조물 바이패스구(18)와 하부구조물 바이패스구(19)의 동작으로 상부와 하부의 발전을 독립시킬 수 있으며 그 위치는 상황에 따라 설치할 수 있다. 도 2는 상부 또는 하부구조물로써 덮개가 제거된 발전기의 설치구조를 알 수 있도록 한 모습으로 공기 또는 물의 인위적인 이동 통로 중 A는 간조에서 만조로의 진행시 그 에너지의 이동경로이며 B는 만조에서 간조로의 이동 경로이다. (5)와 (6)은 발전기이며 이 상부와 하부 구조물은 각층을 동일하게 설계하여 조수간만의 차이에 따라 그 층수를 쉽게 높이거나 낮출 수 있다. 발전구조물(1)의 상부에 설치되는 상부구조물의 외벽(13)에는 필요에 의해 태양열 패널(14)을 설치하여 발전용량을 증대시킨다. 해저 또는 수면하부 지층에는 지지기둥 베이스를 설치하며, 조립식으로 견고하게 고정되어 수직으로 설치되는 지지기둥(4)은 본 구조물에서 생산되는 전기를 이송하는 송전선이 통과하며 도 4와 같이 수개의 구조물을 단지로 세울 경우 인접한 구조물끼리 바다 바닥으로 구조물 간의 송전을 한다.

도 5는 그 개념은 본 발명과 동일한 방식으로 기존 댐의 하부에 커다란 수조형식으로 설치하며, 수조의 용량에 맞는 일정용량의 방수를 통하여 여러 대의 발전구조물이 동일한 효과를 낼 수 있는 방식으로 그 작동방식은, 도 3의 D1을 개방하여 계량된 일정 양의 물을 일정 시간에 맞추어 공급하며 G1을 A발전한다 G1의 A발전이 끝나면 D2의 수문을 개방하여 G1에있던 물을 G2로 배수하며 G1에서는 B발전을 진행하고 G2에서는 A발전을 진행한다. G1의 수위가 내려가고 G2의 수위가 올라가면 D1, D3 수문을 개방하여 G1, G3은 A발전을 G2는 B발전을 동시에 진행한다. G1, G3의 A발전이 끝나면 D2, D4의 수문을 개방하여 G1, G3은 B발전을 G2, G4는 A발전을 진행하는 방법으로 본 발명의 기본 구조인 상부와 하부에 임의의 구멍이 뚫리고 수면에 의하여 하부가 밀폐되는 구조물 내에서 외부 수압과 외부 수압에 의한 내부공기압의 변화를 이용한 발전 방식이다.

본 발명의 구조물은 모든 부분이 분해·조립이 가능한 구조물로써 크게 분류하면 발전구조물(1), 상부구조물(2), 하부구조물(3), 지지기둥(4)의 네 가지 부분으로 구분할 수 있어 시설의 설치와 철거 및 발전장소의 이동이 용이하다. 도 1의 지지기둥(4)은 수중 지면에 수평으로 설치되는 지지기둥 베이스(17)에 수직으로 견고히 고정되며 발전구조물(1)과 상부구조물 전체의 무게를 지탱하며 기둥의 중앙으로는 송전선이 지난다. 하부구조물(3)은 지지기둥 위에 고정되며 간조시 수심에 따라서 그 층수가 조절되며 간조시에도 하부구조는 반드시 수면에 의해 잠겨있어야 한다. 하부구조는 사용자의 편의에 따라 그 구조를 간조시 터빈발전기 구동형 등으로 형태를 바꿀 수 있다. 발전구조물(1)은 그 높이가 만조수위보다 높아야하며, 이 발전구조물의 높이나 수면에 접하는 면적의 크기에 따라 발전 용량이 크게 좌우된다. 상부구조물은 발전구조물(1)의 용량에 따라 그 층수가 조절되며 인위적인 공기통로에는 발전기를 설치하여 발전에 사용한다. 도 5의 내륙에서의 발전방식은 댐(D1)의 배수부에 위치하며 경사면에 설치하여 댐(D2,D3,D4,D5....)의 순차적인 운영으로 발전한다.

기존의 조력발전은 간조시기에 하루 2회 가두어놓은 물의 방류로 발전을 한다. 하지만 본 발명은 하루 4회 발전을 하며 상부와 하부가 각각 독립되어 함께 발전을 함으로 총 8회의 발전을 통하여 안정적인 전력을 생산한다.

또한, 이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 그 구성을 육지에서 따로따로 제작하여 바다에서 조립하는 형식으로 설치 비용이 저렴하며 설치 후 수중 지면에 고정된 지지기둥 베이스(17)를 제외한 전 부분의 분해가 가능하여, 노후나 부분적인 결함 발생시 발전구조물 바이패스구(18)와 하부구조물 바이패스구(19)의 작동으로 상부와 하부의 발전을 각각 독립시켜 발전기관의 정지 없이 결함부위의 부분품의 교환을 신속히 할 수 있으며, 천재지변이나 노후로 용도 폐기시에는 수중 조류가 급격한 곳에 투하하여 설치할 경우 수중 조류의 급격한 감소와 와류의 형성 등으로 인하여 어초로서 그 기능이 연장되어 어군형성에 이르기까지 그 장점이 크다고 하겠다. 본 발전구조물은 바다의 경우 조력발전의 진보된 형태로 수력, 풍력, 태양열발전이 하나의 시설 위에서 동시에 이루어지도록 함으로써, 기존에 설치된 하나의 시설을 기준으로 비교해 보았을 때 발전량을 증가시키는 효과가 크고 발전방식이 연속적이고 안정적인 전력 공급을 가능하게 하는 효과가 있다. 입지조건은 간만의 차이가 크면 그 효율이 증가하고 간만의 차가 적어도 호수나 해양 등 어느 곳에서나 설치가 가능하고 특히 많은 수를 연이어 설치하였을 때 효과가 크며, 하나의 장소에 다양하게 존재하는 자연에너지를 활용하는 발전기관의 설치로 폐기시에도 어초로서 다각적 활용으로 국토의 경제적 이용에 기여하며 대한민국이 에너지강국으로 발전하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명을 개략적으로 도시한 조력을 이용한 청정에너지 생산용 고효율 복합발전장치로의 구성도이다.

도 2는 본 발명중 상부의 공기 이동통로와 하부의 물의 이동통로 및 발전기의 배치방법을 나타낸다.

도 3은 복합발전장치의 작동 방식을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 설치 예로서, 바다의 경우 조력으로 수위의 차이에 의해 작동되는 발전기관으로 복합발전장치 여러 개를 이어서 설치한 조감도이며 조위의 편차가 크지만 해상기후의 변화가 심한 곳에서의 발전시설 설치 방법으로, 방파제를 겸한 송전설비시설을 설치하여 태풍이나 파도가 높아도 고른 전력을 생산할 수 있도록 하거나 송전설비시설을 내륙으로 설치할 경우의 조감도이다.

도 5는 본 발명의 방식으로 내륙에서 댐의 배수부에 위치하여 순차적으로 발전하는 방식의 작동상태를 나타낸다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

(1) 발전구조물 (2) 풍압발전용 상부구조

(3) 수압발전용 하부구조 (4) 지지기둥

(5) 발전기 (6) 발전기

(7) 상부구조물 내부의 압축된 공기의 내부로의 공기통로 입구 및 출구

(8) 상부구조물 외부로의 공기통로 출구 및 입구

(9) 하부구조물 외부 물의 유입구 및 내부 물의 출구

(10) 하부구조물 외부 물의 내부로의 출구 및 내부 물의 외부로의 물의 입구

(11) 만조 시 구조물 내부로 유입되는 바닷물 or 간조시 내부로 유입된 공기

(12) 구조물 내부의 압축 및 이완되는 공기

(13) 외벽 중 물에 잠기지 않는 부분 (14) 태양열 및 태양광발전 패널

(15) 송전선 (16) 송전조정설비 (17) 지지기둥 베이스

(18) 발전구조물 바이패스구 (19) 하부구조물 바이패스구

Claims (5)

1. 상부와 하부에 임의의 구멍이 뚫리고 수면에 의하여 하부가 밀폐되는 지면에 고정되거나 고정되지않는 수상 구조물 내에서 조력에 의하거나 인위적인 수위의 조절에 의하여 하부는 바다의 경우 간조시에도 물에 잠겨져 밀폐되고 상부는 만조 시에도 잠겨지지 않는 조수간만의 차이보다 높은 임의의 높이의 발전구조물로 구조물 외부 수위의 변화에 의한 구조물 내부 수위의 변화로 내부 수압의 변화에 의하여 발생하는 구조물 내부 공기압과 수압의 변화와 이동을 이용하여 발전에 직접. 간접적으로 사용하는 발전구조물.
2. 기존의 조력발전은 되에 의하여 만조시기에 가두어놓은 한정된 용량의 바닷물을 간조시기에 하루 2회 한정된 시간 동안 방류하며 발전을 하였다.

   본 발명은 조력에 의해 만조로 진행시 2회에 걸친 발전을 하고, 간조로 진행시 2회에 걸친 발전을 하여 하루 4회 시간의 구애를 받지않고 발전을 하며 물막이와 공기막이 방식인 하부와 상부로 각각 독립되어 연속적인 발전을 함으로 필요에 의하면 총 8회의 발전을 하나의 구조물을 통하여 24시간 꾸준하고 안정적으로 전력을 생산하는 조력발전방식으로 구조물 외부 수위의 변화에 의한 구조물 내부 수위의 변화로 내부 수압의 변화에 의하여 발생하는 구조물 내부 공기압과 수압의 변화와 이동을 이용하여 발전에 직접. 간접적으로 사용하는 발전방식.
3. 구조물 외부 수위의 변화에 의하여 내부 공기가 임의의 위치에서 외부로의 배출과, 외부공기의 흡입과정에서 발생하는 공기의 흐름과, 구조물 외부수위의 변화에 의하여 구조물 내부로 유입되거나 배출되는 물의 흐름을 구조물 내부의 인위적인 통로를 경유하게 함으로 발전에 직접 이용하는 발전방식.
4. 발전구조물 내부로 유입되거나 배출되는 물과 공기의 속도 등을 제어하는 방법으로 (7),(8),(9),(10)의 크기를 가변하도록 하여 그 양과 속력을 조절할 수 있으며 노후나 부분적인 결함 발생시 발전구조물 바이패스구(18)와 하부구조물 바이패스구(19)의 작동으로 상부와 하부의 발전을 각각 독립시켜 발전기관의 정지 없이 결함부위의 부분품의 교환을 할 수 있는 발전방식.
5. 조력 및 인공적인 수위변화에 의한 수상발전구조물에 있어서 그 구조가 수중 지면에 고정되는 경우 지지기둥 베이스를 제외한 모든 부분이 분해. 조립할 수 있는 발전구조물로, 발전환경의 변화에 의한 상부 또는 하부의 발전구조물의 개·보수가 가능한 조립식 발전구조물로서 발전 부의 층수 등 중요부분을 조립식으로 손쉽게 추가하거나 탈 거 할 수 있는 조립식 발전구조물 설치방식.