KR20060050090A - 유체를 이용한 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력, 조력, 파력, 유수력 등의 유체를 이용하여 전기를 발생시키는 유체를 이용한 발전시스템에 관한 것으로, 새로운 형태의 발전시스템을 구현하여 풍력을 이용하여 독자적으로 발전이 가능하도록 하거나, 풍력은 물론이고 조력, 파력, 유수력 등의 유체 에너지를 병합하여 발전을 할 수 있도록 함과 동시에 필요에 따라 복수 개의 발전시스템을 수평 또는 수직이 되게 직렬로 설치하여 보다 많은 양의 발전이 가능해질 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 바닥 면(5)에 설치되는 고정구조물(1)과, 상기 고정구조물의 상면에 고정되는 상판(6) 및 하판(7)사이에 접선방향을 따라 복수개의 안내판(8)을 원의 형태로 설치하되, 상기 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 공간부(9)가 형성된 케이싱(2)과, 상기 케이싱의 중심부에 위치하는 상판 및 하판에 회전 가능하게 터빈 축(12)을 설치하고 상기 터빈 축에 고정된 하우징(13)의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 회전날개(14)가 고정된 터보 팬(3)과, 상기 고정구조물의 내부에 설치되어 터빈 축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전부(4)로 구성하여서 된 것이다.

Description

유체를 이용한 발전시스템{omitted}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 나타낸 종단면도

도 2는 도 1의 A - A선 단면도

도 3은 본 발명의 케이싱을 나타낸 사시도

도 4는 본 발명의 터보 팬을 나타낸 사시도

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 적용되는 터보 팬에서 회전날개의 설치상태를 나타낸 평면도

도 6a 내지 도 6c는 터보 팬의 구조를 나타낸 평면도

도 7은 본 발명에 적용되는 터보 팬의 다른 실시예를 나타낸 사시도

도 8은 본 발명의 고정구조물의 외측면에 커버를 설치한 상태의 사시도

도 9는 본 발명의 제2 실시예를 나타낸 종단면도

도 10은 본 발명의 제 3 실시예를 나타낸 종단면도

도 11은 본 발명이 직렬로 복수 개 설치된 상태의 평면도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 고정구조물 2 : 케이싱

3 : 터보 팬 4 : 발전부

6 : 상판 7 : 하판

8 : 안내판 9 : 공간부

10, 17 : 보강편 11 : 커버

12 : 터빈 축 13 : 하우징

14 : 회전날개 18 : 유입구

19 : 보조날개 24 : 보조안내편

본 발명은 풍력(風力), 조력(潮力), 파력(波力), 유수력(流水力) 등의 유체를 이용하여 전기를 발생시키는 유체를 이용한 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 유체를 이용하여 전기를 얻는 시스템(system)으로는 풍력발전 및 수력발전이 대표인데, 본 발명에서는 풍력발전에 대하여만 논의하기로 한다.

이러한 풍력발전은 그 에너지원이 기온 차에 의해 발생되는 청정 무공해인 바람으로써, 지구상에 엄청나게 존재함에도 불구하고 그 보급이 그다지 확산되지 않고 있는 실정이다.

이는, 풍력을 이용한 발전시스템에서 동력을 발생시키는 날개가 회전하는데 있어 상당히 넓은 입체적 공간을 차지하는데도 불구하고 강한 풍속(태풍 등)에 구조적으로 취약하고, 실제로 이용할 수 있는 풍량은 좁은 프로펠러 3개에 부딪히는 양으로 결정되는데 프로펠러의 중심 축에서 저 효율인 가까운 쪽과 고 효율인 먼 쪽 모두 동일한 풍속이 작용되어 발전 설비의 전체 공간과 크기에 비하여 실제 발 전에 있어서 비효율적이다.

또, 기둥 하나에 무거운 프로펠러를 받치고 있고 동작 시에는 강한 바람에 의해 프로펠러가 회전하는 구조상의 특성 때문에 역학적인 구조상에도 취약점이 있어 강풍(태풍 포함)등에 의해 붕괴될 위험이 많고 시스템 상 프로펠러 각의 조정이 용이하지 않고 바람의 양이 작을 경우에는 기전력을 발생하는 회전력이 되지 못하고 테풍 등의 강력한 바람에는 프로펠러의 회전이 정지함으로써 발전에 이용되어야 할 강력한 회전력을 이용하지 못하며 사용하지 못하게 된다.

상기 프로펠러식 발전시스템은 프로펠러의 회전으로 인한 꼬임 현상을 방지하기 위한 제어시스템에 의한 역회전방지, 풍속의 강약에 따른 프로펠러 각의 조정, 강풍이 불 경우 프로펠러의 회전 정지 등 자동제어에 의한 첨단 과학의 산물이지만, 풍향의 갑작스런 변화에 적응이 어렵고 기둥 1개로 거대한 프로펠러 등을 지탱하여야 하는 역학적인 기술의 어려움, 강한 바람을 버텨내야 하는 견고한 제작의 어려움으로 인해 실제로 기존의 프로펠러형 풍력발전의 효율을 극대화시키는데 한계가 있다.

또한, 입체적으로 회전하면서도 에너지 효율이 3개의 프로펠러에 부딪히는 풍력만으로 전기 에너지를 생산할 수밖에 없고, 프로펠러를 기둥으로 버티는 구조로 설치할 수밖에 없어 공간활용의 제약을 입체적으로 많이 받음에도 불구하고 불어오는 바람을 확대하여 받아 들이는 구조 등을 서리할 수 없기 때문에 설치 장소나 필여에 따라 더 많은 풍력을 이요하는 구조를 설치하여 보다 더 발전을 할 수 없는 단점도 있다.

더욱이 구조상 정격풍속(8∼18m/sec) 이외의 풍속인 기동풍속(2∼4m/sec)이나, 정격 풍속이상의 풍속인 정지풍속(20m/sec이상)은 그 기능 상 프로펠러 회전의 효율이 "0"이거나(기동풍속), 불가능하여 풍력을 이용한 발전시스템의 가동을 중단(정지풍속)시키게 되므로 전력을 생산하지 못하고 효용가치가 큰 회전력을 갖는 풍력 에너지가 버려지고 있는 실정이다.

또, 프로펠러형 풍력발전시스템은 동일 풍속임에도 불구하고 회전효율이 가장 낮은 중심 쪽과 회전효율이 가장 큰 프로펠러 끝 쪽으로 힘이 동시에 작용하게 되므로 같은 풍속일지라도 프로펠러 끝에서 작용하는 고 효율의 풍력과 축의 중심 쪽에서 작용하는 저 효율의 풍력의 차이, 즉 중심 쪽의 풍력을 비효율적으로 사용할 수밖에 없을 뿐만 아니라 프로펠러 3개에만 부딪히는 풍력만을 이용하기 때문에 이용밀도가 매우 낮다.

기존의 프로펠러형 풍력발전시스템은 기둥 1개가 거대한 3개의 프로펠러를 지탱하는 구조 상 취약성 때문에 내구 연한 또한 20∼25년 정도 밖에 되지 않아 비싼 제작비에 비해 투자금의 회수가 적고 회수 기간 또한 긴 단점이 있다.

또한, 기존의 프로펠러형 풍력발전시스템은 풍력에서만 사용 가능하고 조력, 파력 유수력(흐르는 물에 의한 힘) 등의 유체 에너지로는 발전이 불가능하여 그 사용 용도가 극히 제한적이고 풍력과 조력, 파력, 유수력 등의 유체 에너지와는 병합하여 발전할 수 없는 사용상의 제약도 수반되었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 새로 운 형태의 발전시스템을 구현하여 풍력을 이용하여 독자적으로 발전이 가능하도록 하거나, 풍력은 물론이고 조력, 파력, 유수력 등의 유체 에너지를 병합하여 발전을 할 수 있도록 하여 발전량도 늘리고 발전시간도 확대하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 같은 공간을 차지하는 풍력을 이용한 발전시스템일지라도 풍력의 절대량을 보다 더 많이 발전시스템의 내부로 유입되도록 하여 터빈 축을 보다 빠른 속도로 회전시켜 발전할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 복수 개의 발전시스템을 수평 또는 수직이 되게 직렬로 설치하여 보다 많은 양의 발전이 가능해질 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 바닥 면에 설치되는 고정구조물과, 상기 고정구조물의 상면에 고정되는 상판 및 하판사이에 접선 방향을 따라 복수개의 안내판을 원 형태로 설치하되, 상기 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 공간부가 형성된 케이싱과, 상기 케이싱의 중심부에 위치하는 상판 및 하판에 회전 가능하게 터빈 축을 설치하고 상기 터빈 축에 고정된 하우징의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 회전날개가 고정된 터보 팬과, 상기 고정구조물의 내부에 설치되어 터빈 축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전부로 구성된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템이 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 바닥 면에 설치되는 제 1 고정구조물과, 상기 제 1 고정구조물의 상면에 고정되는 제 1 상판 및 제 1 하판사이에 접선방향을 따라 복수개의 제 1 안내판을 원 형태로 설치하되, 상기 제 1 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 제 1 공간부가 형성된 제 1 케이싱과, 상기 제 1 케이싱의 중심부에 위치하는 제 1 상판 및 제 1 하판에 회전 가능하게 제 1 터빈 축을 설치하고 상기 제 1 터빈 축에 고정된 제 1 하우징의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 제 1 회전날개를 고정하여 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체 에너지에 의해 회전되도록 하는 제 1 터보 팬과, 상기 제 1 상판의 상면에 설치되어 제 1 터빈 축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 제 1 발전부와, 상기 제 1 상판의 상면에 설치되는 제 2 고정구조물과, 상기 제 2 고정구조물의 상면에 고정되는 제 2 상판 및 제 2 하판사이에 접선방향을 따라 복수개의 제 2 안내판을 원 형태로 설치하되, 상기 제 2 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 제 2 공간부가 형성된 제 2 케이싱과, 상기 제 2 케이싱의 중심부에 위치하는 제 2 상판 및 제 2 하판에 회전 가능하게 제 2 터빈 축을 설치하고 상기 제 2 터빈 축에 고정된 제 2 하우징의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 제 2 회전날개를 고정하여 풍력에 의해 회전되도록 하는 제 2 터보 팬과, 상기 제 2 고정구조물의 내부에 설치되어 제 2 터빈 축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 제 2 발전부로 구성된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템이 제공된다.

이하, 본 발명을 일 실시예로 도시한 도 1 내지 도 11을 참고하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 나타낸 종단면도로서, 본 발명은 지지체인 고정구조물(1), 상기 고정구조물의 상부에 설치되어 보다 많은 유체 에너지가 내부로 유입되도록 하는 케이싱(2)과, 상기 케이싱의 내부에 회전 가능하게 설치되어 내부로 유입되는 유체 에너지에 의해 회전하는 터보 팬(3)과, 상기 터보 팬의 회전에 따라 전기를 발생시키는 발전부(4) 등 주요 4개의 구성요소로 이루어져 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이 바닥 면(육상인 경우 지표면, 바다 또는 강인 경우에는 수중 바닥면)(5)에 고정구조물(1)이 설치되어 있고 상기 고정구조물의 상면에는 도 3과 같은 구조를 갖는 케이싱(2)이 설치되어 있는데, 상기 케이싱(2)의 구성은 다음과 같다.

상판(6) 및 하판(7)이 소정 간격을 유지하며 설치되어 있고 상기 상판 및 하판사이에는 접선방향을 따라 복수개의 안내판(8)이 도 2에 나타낸 바와 같이 등 간격으로 원 형태로 설치되어 있으며, 상기 안내판사이에는 유체(바람 또는 물)가 내부로 유입되도록 공간부(도 3에 빗금친 부위)(9)가 형성되는 구조로 이루어져 있다.

상기 상판(6) 및 하판(7)은 일 실시예로 도시한 바와 같이 반드시 윈판형태일 필요는 없고, 이들 사이에 고정되는 안내판(8)을 덮을 수 있는 정도면 어느 형태라도 무관하므로 반드시 이에 한정하지는 않는다.

상기 공간부(9)는 상판(6)과 하판(7)사이에 안내판(8)이 접선방향을 따라 경사지게 고정 설치되어 있어 케이싱(2)의 내부로 갈수록 단면적이 좁아지는 구조이므로 풍력, 조력, 파력, 유수력에 의해 발생된 유체 에너지가 케이싱(2)의 내부로 유입되는 과정에서 베르누이의 정리(Bernoulli's theorem)가 적용되고, 이에 따라 보다 많은 양의 유체 에너지를 케이싱(2)의 내부로 신속하게 유입시킬 수 있게 되는 특징을 갖는다.

상기한 바와 같이 상판(6)과 하판(7)사이에 설치되는 복수개의 안내판(8)은 그 재질 또는 두께에 따라 강도가 달라지겠지만, 동일 두께에서 강풍 또는 큰 파도에도 쉽게 파손되지 않도록 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 각 안내판(8)사이에 케이싱(2)의 둘레를 따라 적어도 1열(도면에서는 3열로 도시하였음) 이상의 보강편(10)을 고정하여 강도를 보강하도록 되어 있다.

한편, 케이싱(2)의 내부로 풍력, 조력, 파력, 유수력에 의해 발생된 유체 에너지가 유입되는 과정에서 조류, 각종 어류 또는 이물질(종이, 비닐류, 폐기물 등)이 유입되지 않도록 도 8에 나타낸 바와 같이 망 형태의 커버(11)를 설치하도록 되어 있는데, 상기 커버(11)는 케이싱(2)의 외주면에 직접 고정 설치하여도 되지만, 청소 및 유지 보수를 위해 착탈 가능하게 설치하는 것이 보다 바람직하다.

상기 상판(6)과 하판(7)사이에 고정되는 안내판(8)의 설치각도(α)는 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 상기 안내판의 끝단에서 터빈 축의 중심을 잇는 선으로부터 90∼110˚정도 경사지게 설치하는 것이 바람직한데, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

본 발명의 실시예에서는 안내판(8)을 판상으로 나타내었으나, 작용되는 유체 에너지의 종류 또는 양에 따라 안내판(8)의 단면을 만곡된 형태로 적용할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 터보 팬을 나타낸 사시도로서, 케이싱(2)의 내부로 유입되는 유체 에너지에 의해 회전하는 터보 팬(3)의 구성은 다음과 같다.

상기 케이싱(2)의 중심부에 위치하는 상판(6) 및 하판(7)에 터빈 축(12)이 회전 가능하게 설치되어 있고 상기 터빈 축에는 하우징(13)이 고정되어 있으며 하우징의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 회전날개(14)가 고정된 구조로 이루어져 있어 상기 회전날개(14)가 유체 에너지에 의한 항력을 최대한 받게 되므로 회전효율은 극대화하고 회전을 방해하려는 항력을 비 유효 에너지가 도 2에 나타낸 바와 같이 우측에 위치된 안내판(8)에 의해 케이싱(2)의 내부로 유입되지 않고 케이싱(2)의 외부로 빠져나가게 되므로 "0"가 된다.

이 때, 상기 터빈 축(12)은 상판(6)과 하판(7)에 각각 베어링(15)(16)에 의해 지지되어 있어 그 회전이 원활히 이루어지게 되는데, 상기 터보 팬(3)은 금속으로 이루어져 있어 터빈 축(12)의 상부를 지지하는 베어링(15)은 작아도 되지만, 터빈 축(12)의 하부를 지지하는 베어링(16)은 터보 팬(3)의 자중을 충분히 지탱할 수 있도록 큰 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 회전날개(14)의 사이에도 안내판(8)과 마찬가지로 강도 보강을 목적으로 회전날개(14)를 보강하는 보강편(17)이 적어도 1열 이상 고정되어 있다.

한편, 상기 터보 팬(3)의 하우징(13)에 접선방향으로 설치하는 회전날개(14)를 일 실시예로 나타낸 도 3과 같이 터빈 축(12)과 평행하는 수직상태로 고정하여도 되지만, 작용되는 유체 에너지 또는 설치장소에 따라 다른 실시예로 나타낸 도 7과 같이 회전날개(14)를 터빈 축(12)으로부터 경사진 상태로 고정할 수도 있는데, 이 경우에도 하우징(13)의 둘레를 따라 적어도 1열(도면에서는 2열로 도시하였음) 이상의 보강편(17)을 고정하여 강도를 보강하도록 되어 있다.

본 발명의 일 실시예로 도시한 도 2 및 도 6a에서는 하우징(13)을 원통형상 의 폐쇄된 구조로 되어 있으나, 필요에 따라 도 6b에 나타낸 바와 같이 개방형으로 형성하거나, 도 6c에 나타낸 바와 같이 폐쇄형과 개방형을 혼용하여 적용할 수도 있다.

상기 하우징(13)을 도 6b 및 도 6c와 같이 개방형 또는 개방형과 폐쇄형을 혼용한 상태로 적용할 경우에는 하우징(13)에 유입구(18)를 형성하고 상기 하우징의 내부에는 유입구에 인접되게 보조날개(19)를 형성하도록 되어 있다.

상기 하우징(13)이 도 6a와 같이 폐쇄형인 경우에는 유체 에너지가 케이싱(2)의 안내판(8)사이에 형성된 공간부(9)를 통해 화살표방향을 따라 빠른 속도로 유입되어 작용되는 유체 에너지가 회전날개(14)에 의해 부딪히면서 터보 팬(3)을 회전시키고 케이싱(2)의 외부로 빠져나가게 된다.

그러나 하우징(13)이 개방형 또는 개방형과 폐쇄형을 혼용한 경우에는 유체 에너지가 케이싱(2)의 내부로 유입되는 과정에서 회전날개(14)에 부딪히는 힘에 의해 1차적으로 터보 팬(3)에 회전력을 발생시킨 다음 개방형과는 달리 터보 팬(3)의 외측으로 빠져나가지 않고 하우징(13)에 형성된 유입구(18)를 통해 하우징(13)의 내부로 유입되는 과정에서 유입구에 인접되게 하우징(13)의 내부에 형성된 보조날개(19)에 2차적으로 부딪히면서 터보 팬(3)을 회전방향으로 더욱 더 밀어주게 되므로 터보 팬(3)의 회전력을 증대시킬 수 있게 되는 장점을 갖는다.

이러한 과정에서 터보 팬(3)의 내부로 유입된 유체는 압력이 증대되므로 와류현상에 의해 터보 팬(3)의 회전속도를 더욱 증대시키면서 유입된 양만큼 도 6b에 나타낸 화살표방향과 같이 배출측에 위치하는 터보 팬(3)의 유입구(18)를 통해 압 력이 낮은 지역(a)으로 빠져나가게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 도 1에 나타낸 바와 같이 고정구조물(1)의 내부에 터빈 축(12)의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전부(4)가 구비되어 있는데, 상기 발전부는 상판(6) 또는 하판(7)의 상, 하부로 노출된 터빈 축(12)에 고정되어 터빈 축과 함께 회전하는 구동기어(20)와, 상기 구동기어에 맞물리게 설치된 종동기어(21)에 의해 회전하면서 터빈 축의 회전수를 증폭시키거나, 회전을 단속하는 변속기(22)와, 상기 변속기에 의해 변속이 이루어짐에 따라 전기를 발생시키는 공지의 발전기(23)로 구성되어 있다.

상기 발전부(4)를 필요에 따라서는 본 발명의 제 2 실시예로 나타낸 도 9와 같이 고정구조물(1)의 내부는 물론이고 상판(6)의 상부에도 구비하여 각 발전기가 가장 효율이 극대화되는 정격 풍속(15m 내외)에 의해 발전함으로써 보다 많은 전력을 생산하도록 구성할 수도 있다.

이하에서는 안내판(8)의 설치각도(α)가 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 상기 안내판의 끝단에서 터빈 축의 중심을 잇는 선으로부터 90∼110˚정도 경사지게 설치하여야 되는 이유에 대하여 설명하기로 한다.

일반적으로 하우징(13)의 외주면에 고정된 회전날개(14)에 유체 에너지가 작용되면 안내판(8)의 각도가 90˚인 경우에 유체 에너지가 회전날개(14)의 끝단에 작용되고, 90˚보다 큰 경우에는 회전날개(14)의 안 쪽에 작용되므로 안내판(8)의 설치각도를 90˚로 설정하는 것이 바람직하다.

그러나 안내판(8)의 설치각도를 90˚로 설정하면 케이싱(2)과 회전체인 회전 날개(14)가 상호 부딪히지 않도록 안정성을 고려하여 고정체인 안내판(8)과 회전체인 회전날개(14)사이에 틈새(t)를 두게되므로 안내판(8)사이의 공간부(9)를 통해 유입된 전체 유체 에너지가 회전날개(14)에 회전력으로 작용되지 못하고 틈새를 통해 외부로 유실될 우려가 있어 안내판의 각도를 90˚+ 5∼10°크게 설정하는 것이 보다 바람직하다.

한편, 하우징(13)의 외주면에 고정 설치되는 회전날개(14)의 개수는 작용되는 유체 에너지가 크면 6개 정도로 설정하면 되지만, 작용되는 유체 에너지가 작으면 개수를 12개 정도로 늘리는 것이 바람직한데, 이는 발전시스템의 용량이나 설치 장소에 따라 적절히 적용할 수 있으므로 본 발명의 일 실시예에서는 반드시 이에 한정하지 않는다.

따라서 본 발명의 발전시스템을 설치하고자 하는 지역의 평균 풍속, 풍량과 조력의 세기, 파도의 힘, 유수(흐르는 물)의 양 또는 세기 등을 고려하여 적절한 개수로 제작하여야 된다.

도 11은 본 발명이 직렬로 복수 개 설치된 상태의 평면도로서, 본 발명은 육상, 또는 수중에 독자적으로 설치하여도 작용되는 유체 에너지에 의해 터보 팬(3)이 회전하면서 전력을 생산하게 되지만, 필요에 따라서는 도 11에 나타낸 바와 같이 복수 개를 직릴로 연결하여 전력을 생산할 수도 있다.

이 경우에는 작용되는 비 유효 유체 에너지가 유실되지 않도록 각 발전시스템의 안내판 중 인접하고 있는 안내판(8) 사이에 보조안내편(24)을 경사지게 고정 설치하여 작용되는 비 유효 유체 에너지가 보조안내편(24)에 의해 인접하고 있는 케이싱(2)의 내부로 유입되도록 하는 것이 보다 바람직하다.

이는, 본 발명의 발전시스템을 독립되게 설치하되, 복수 개 설치하여도 되지만, 유체 흐름의 효율적 이용, 공간 점유율 또는 공사비를 고려하여 직렬로 설치하는 것이 바람직하기 때문이다.

본 발명의 발전시스템은 각 실시예에서 터빈 축(12)을 수직방향으로 설치하는 상태를 예시하였으나, 유체 에너지의 종류 및 세기에 따라 터빈 축(12)을 지상, 바다, 강 등에 수평 상태로 설치할 수도 있게 됨은 이해 가능한 것이다.

그러나 터빈 축(12)을 수평 설치할 경우에는 터빈 축(12)을 지지하기 위한 고정구조물의 변경이 불가피 할 것이다.

도 10은 본 발명의 제 3 실시예를 나타낸 종단면도로서, 제 3 실시예는 풍력 발전은 물론이고 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체 에너지를 병행하여 발전을 할 수 있는 시스템이다.

그 구조는 일 실시예로 설명한 풍력 발전시스템에 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체 에너지를 이용하여 병합발전을 실시할 수 있도록 한 것이다.

즉, 바닥 면(5)에 설치되는 제 1 고정구조물(1)의 상면에 제 1 하판(7)을 고정하고 상기 제 1 하판(7)과 제 1 상판(6)의 사이에는 접선방향을 따라 복수개의 제 1 안내판(8)을 원 형태로 설치하며, 상기 제 1 안내판사이에는 유체가 내부로 유입되도록 제 1 공간부(9)을 형성하여 제 1 케이싱(2)을 구성한다.

또한, 상기 제 1 케이싱(2)의 중심부에 위치하는 제 1 상판(6) 및 제 1 하판(7)에 회전 가능하게 제 1 터빈 축(12)을 설치하고 상기 제 1 터빈 축에 고정된 제 1 하우징(13)의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 제 1 회전날개(14)를 고정하여 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체 에너지에 의해 회전되도록 하는 제 1 터보 팬(3)을 구성하며 상기 제 1 상판(6)의 상면에는 제 1 터빈 축(12)의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 제 1 발전부(4)를 구성한다.

상기한 구성을 수중에 설치하므로써, 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체 에너지에 의해 터빈 축(12)을 회전시킬 수 있게 된다.

이와 함께 제 1 상판(6)의 상면에 제 2 고정구조물(1a)을 설치하고 상기 제 2 고정구조물의 상면에 고정되는 제 2 상판(6a) 및 제 2 하판(7a)사이에는 접선방향을 따라 복수개의 제 2 안내판(8a)을 원 형태로 설치하되, 상기 제 2 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 제 2 공간부(9a)가 형성되게 제 2 케이싱(2a)을 구성한다.

또한, 상기 제 2 케이싱(2a)의 중심부에 위치하는 제 2 상판(6a) 및 제 2 하판(7a)에 회전 가능하게 제 2 터빈 축(12a)을 설치하고 상기 제 2 터빈 축에 고정된 제 2 하우징(13a)의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 제 2 회전날개(14a)를 고정하여 풍력에 의해 회전되도록 하는 제 2 터보 팬(3a)을 구성하며, 상기 제 2 고정구조물(1a)의 내부에는 제 2 터빈 축(12a)의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 제 2 발전부(4a)를 마련하므로써, 풍력에 의해 제 2 터보 팬(3a)을 회전시킬 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 발전시스템을 풍량이 풍부한 바닷가 또는 계곡 등에 설치된 상태에서 풍력에 의한 유체 에너지에 의해 본 발명의 발전시스템이 동작되는 상태를 설명하기로 한다.

즉, 도 1과 같은 상태에서 도 2에 표시한 화살표방향으로 바람이 불어오면 유효 풍력(25)과 비 유효 풍력(26)으로 나뉘어져 유효 풍력(25)은 상판(6)과 하판(7)사이에 고정된 안내판(8)에 유도되어 케이싱(2)의 내부로 유입되지만, 비 유효 풍력(26)은 안내판(8)이 케이싱에 형성된 공간부(9)의 외측을 향하고 있어 케이싱(2)의 내부로 유입되지 않고 화살표방향을 따라 외부(도면 상 우측)로 흘러가게 된다.

따라서 공간부(9)를 통해 케이싱(2)의 내부로 유입되는 유효 풍력(25)의 양은 공간부(9)의 가로방향의 면적 및 세로방향의 면적의 곱만큼 되는데, 상기 공간부(9)는 케이싱(2)의 내부 측을 향할수록 단면적이 좁게 형성되어 있어 베르누이의 정리에 의해 케이싱(2)의 내부 측으로 유입되는 과정에서 더욱 빠르게 이동하여 터보 팬(3)의 외주면에 고정된 회전날개(14)에 부딪혀 터보 팬(3)을 회전시키는 풍력으로 작용하게 된다.

이를 좀더 구체적으로 설명하면, 케이싱(2)의 내부로 유입되는 풍력의 양, 즉 바람이 부는 동안에는 공간부(9)의 단면적 만큼의 풍력 에너지가 회전하는 터보 팬(3)의 회전날개(14)에 연속적으로 부딪히게 되므로 터보 팬(3)이 지속적으로 회전하게 된다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 일정 양의 풍력 에너지가 화살표방향으로 케이싱(2)을 통해 그 내부로 유입되어 터보 팬(3)의 회전날개(14)에 연속적으로 부 딪힌다고 가정할 때 풍력 에너지가 하우징(13)의 외주면에 복수 개 고정된 회전날개(14)에 연속적으로 부딪히는 힘에 의해 결정되므로 기존 프로펠러형 발전시스템의 프로펠러 3개에 부딪혀 발생하는 양력에 의해 프로펠러가 회전하는 것보다 훨씬 큰 효율을 얻을 수 있게 됨은 이해 가능한 것이다.

상기한 바와 같은 동작에 의해 터보 팬(3)이 회전하면 상기 터보 팬(3)의 회전축이 되는 터빈 축(12)이 하우징(13)과 함께 회전하게 되는데, 상기 터보 팬(3)의 하부 또는 상부에는 구동기어(20)가 고정되어 있고 상기 구동기어는 변속기(22)의 종동기어(21)와 맞물려 있어 터빈 축(12)의 회전에 따라 변속기(22)의 종동기어(21)를 회전시키게 되므로 발전기(23)에 의해 전력을 생산할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 발전시스템을 해안 또는 강과 같이 유체(물)의 흐름이 일방향 또는 양방향으로 작용되는 지역에 도 11과 같이 본 발명의 발전시스템을 여러 개 일렬로 설치하되, 근접하고 있는 안내판(8)사이에는 별도의 보조안내편(24)을 설치하여 유체 흐름을 케이싱(2)의 내부로 유도하면 좌측에 위치된 케이싱(2)의 비 유효 에너지가 보조안내편(24)에 의해 유도되어 우측에 위치된 케이싱(2)의 내부로 유입되어 2번째 위치된 발전시스템의 터보 팬(3)을 회전시키게 되므로 1개의 발전 시스템일 경우에 버려지는 비 유효 에너지를 이용하여 발전을 할 수 있게 되고, 이에 따라 본 발명의 발전시스템을 소형으로 제작한 다음 복수 개 직렬로 설치하여 효율적으로 사용할 수 있게 되는 장점을 갖는다.

한편, 본 발명의 발전시스템을 다른 실시예로 나타낸 도 10과 같이 구성하여 하부에 위치된 발전시스템은 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체(물) 에너지 에 의해 동작되도록 하고, 상부에 위치된 발전시스템은 최고 수위에서도 물에 잠기지 않도록 설치하여 풍력에 의해 구동되도록 하면 병합발전이 가능하므로 보다 효율적으로 발전할 수 있게 되는 장점을 갖는다.

즉, 하부에 위치되어 물에 잠겨진 발전시스템은 어느 일 방향으로 유체(물) 에너지가 작용될 경우 전술한 바와 같은 원리에 의해 유체가 케이싱(2)에 형성된 공간부(9)를 통해 케이싱의 내부로 유입되는 과정에서 작용되는 속도보다 베르누이의 정리에 의해 빠른 속도로 유입되어 터보 팬(3)의 회전날개(14)에 부딪히게 되므로 터빈 축(12)을 회전시켜 발전을 실시하게 된다.

이와 동시에 상부에 위치된 발전시스템은 전술한 바와 같이 작용되는 풍력에 의해 터보 팬(3a)이 회전하면서 발전을 하게 되는데, 이에 대한 구체적인 동작은 전술하였으므로 생략하기로 한다.

이러한 구조를 갖는 발전시스템은 바람이 불지만, 유체(물)의 흐름이 일시적으로 약할 때, 또는 이와는 반대로 바람이 불지 않지만, 유체의 흐름이 왕성할 경우에는 발전시스템을 동시에 가동하지 않고 선별적으로 가동하여 발전을 실시할 수 있게 되는 특징을 갖는다.

한편, 불어오는 바람에 의해 작용되는 에너지의 방향과 물에 의해 작용되는 에너지의 방향이 각기 다르더라도 케이싱(2)(2a) 및 터보 팬(3)(3a)의 외주면에 고정된 회전날개(14)(14a)가 각각 접선방향을 향하고 있어 각 발전시스템의 터보 팬(3)(3a)이 동시에 동일방향으로의 회전이 가능해지게 되므로 병합발전이 가능해지게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 종래의 발전시스템에 비하여 다음과 같은 여러 가지 장점을 갖는다.

첫째, 풍력은 물론이고 조력, 파력, 유수력과 같이 유체 에너지가 불규칙하게 작용되더라도 유체 에너지의 생성이 왕성한 지역에서 보다 좁은 점유면적을 차지하도록 설치하여 독자적인 발전 또는 병합발전으로 전력을 생산할 수 있게 되므로 전력 생산에 따른 원가를 대폭 절감할 수 있게 된다.

둘째, 고정구조물의 상부에 견고한 상태의 케이싱을 고정하고 그 내부에는 유체 에너지에 의해 회전하면서 전력을 발생하는 터보 팬이 설치되어 있어 그 내구성이 견고하므로 태풍 또는 큰 파도에도 파손되거나, 유실될 우려가 없고, 이에 따라 발전시스템을 반영구적으로 사용할 수 있다.

셋째, 케이싱은 물론이고 하우징의 접선방향으로 안내편 및 회전날개가 각각 설치되어 있어 작용되는 유체 에너지의 방향에 따라 안내편 및 회전날개의 위치를 제어하지 않아도 유체 에너지가 작용하는 한 터보 팬이 항상 동일방향으로 회전하는 구조로 되어 있으므로 유제의 작용방향에 따라 프로펠러의 방향을 전환하는 별도의 제어시스템이 필요치 않게 되고, 이에 따라 발전시스템의 구동에 따른 제어시스템의 구조가 보다 간단해지게 된다.

넷째, 케이싱 및 터보 팬이 원형으로 되어 있고 이들의 외주면에는 각각 접선방향으로 복수 개의 안내편과 회전날개가 고정되어 있어 발전시스템에 작용되는 풍력과 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체 에너지의 방향이 동일하지 않고 각기 다른 방향으로 작용되더라도 발전시스템의 구동이 가능하므로 특정 지역(해안가, 강가 등)에서의 병합발전이 가능해지게 된다.

Claims (13)

1. 바닥 면에 설치되는 고정구조물과, 상기 고정구조물의 상면에 고정되는 상판 및 하판사이에 접선방향을 따라 복수개의 안내판을 원 형태로 설치하되, 상기 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 공간부가 형성된 케이싱과, 상기 케이싱의 중심부에 위치하는 상판 및 하판에 회전 가능하게 터빈 축을 설치하고 상기 터빈 축에 고정된 하우징의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 회전날개가 고정된 터보 팬과, 상기 고정구조물의 내부에 설치되어 터빈 축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전부로 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 터보 팬의 하우징에 접선방향으로 설치하는 회전날개를 터빈 축과 평행하는 수직상태로 고정하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 터보 팬의 하우징에 접선방향으로 설치하는 회전날개를 터빈 축으로부터 경사진 상태로 고정하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 회전날개의 사이에 회전날개를 보강하는 보강편을 적어도 1열 이상 고 정하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 상판의 상부로 터빈 축이 노출되도록 하여 상기 상판의 상부에도 발전실이 구비되도록 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 발전부는 상판 또는 하판의 상, 하부로 노출된 터빈 축에 고정되어 터빈 축과 함께 회전하는 구동기어와, 상기 구동기어에 맞물리게 설치된 종동기어에 의해 회전하면서 터빈 축의 회전수를 증폭시키는 변속기와, 상기 변속기에 의해 변속이 이루어짐에 따라 전기를 발생시키는 공지의 발전기로 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 상판과 하판사이에 고정된 안내판의 외측으로 망 형태의 커버를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 안내판의 사이에 안내판을 보강하는 보강편을 적어도 1열 이상 고정하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 터보 팬을 구성하는 하우징을 원통형상으로 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 터보 팬을 구성하는 하우징에 유입구를 형성하고 상기 하우징의 내부에는 유입구에 인접되게 보조날개를 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 안내판의 끝단에서 터빈 축의 중심을 잇는 선으로부터 안내판의 각도(α)를 90∼110˚정도 경사지게 고정 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
12. 제 1 항에 있어서,

    복수개의 발전시스템을 직렬로 설치하고 상기 각 발전시스템의 안내판 중 인접하고 있는 안내판 사이에는 보조안내편을 경사지게 고정 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템.
13. 바닥 면에 설치되는 제 1 고정구조물과, 상기 제 1 고정구조물의 상면에 고정되는 제 1 상판 및 제 1 하판사이에 접선방향을 따라 복수개의 제 1 안내판을 원형태로 설치하되, 상기 제 1 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 제 1 공간부가 형성된 제 1 케이싱과, 상기 제 1 케이싱의 중심부에 위치하는 제 1 상판 및 제 1 하판에 회전 가능하게 제 1 터빈 축을 설치하고 상기 제 1 터빈 축에 고정된 제 1 하우징의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 제 1 회전날개를 고정하여 조력, 파력, 유수력 중 어느 하나의 유체 에너지에 의해 회전되도록 하는 제 1 터보 팬과, 상기 제 1 상판의 상면에 설치되어 제 1 터빈 축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 제 1 발전부와, 상기 제 1 상판의 상면에 설치되는 제 2 고정구조물과, 상기 제 2 고정구조물의 상면에 고정되는 제 2 상판 및 제 2 하판사이에 접선방향을 따라 복수개의 제 2 안내판을 원 형태로 설치하되, 상기 제 2 안내판사이에 유체가 내부로 유입되도록 제 2 공간부가 형성된 제 2 케이싱과, 상기 제 2 케이싱의 중심부에 위치하는 제 2 상판 및 제 2 하판에 회전 가능하게 제 2 터빈 축을 설치하고 상기 제 2 터빈 축에 고정된 제 2 하우징의 외주면에는 접선방향으로 복수개의 제 2 회전날개를 고정하여 풍력에 의해 회전되도록 하는 제 2 터보 팬과, 상기 제 2 고정구조물의 내부에 설치되어 제 2 터빈 축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 제 2 발전부로 구성된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 발전시스템 .

Images