KR20070061488A - 조력발전 방식 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조수간만의 차를 이용하여 발전을 하는 조력발전에 관한 것으로;

본 발명에 따른 조력발전 방식은, 조력발전의 특징인 저낙차에서 물이 가지고 있는 에너지를 효율적으로 회수하기 위하여, 저낙차용으로 개발되어 특허출원된 다중나선형수차( 10-2007-0010402 )를 이용한다.

조력발전을 하기위한 방법으로, 발전시설이 필요한 바닷가에 물막이용 방조제( 10 )를 설치하여 방조제( 10 )내부에 바닷물을 저장하고, 조력발전구조물( 11 )의 하부에 설치된 다중나선형수차( 60 )로 바닷물을 통과시켜, 물의 위치에너지와 운동에너지를 다중나선형 수차( 60 )가 회전력으로 회수하며, 다중나선형 수차( 60 )의 회전력을 발전기( 81 )로 전달하여 발전을 하는 방식으로, 우리나라의 천연자원으로 막대한 에너지를 보유하고 있는 조력을 이용할 수 있게 되어, 조력 발전량에 해당하는 만큼의 에너지 수입대체 효과와, CO2 배출량을 줄일 수 있게 되어, 지구온난화 방지에 기여할 수 있고, CO2 배출 규제에 대비할 수 있는 청정에너지로, 화석연료를 사용하는 발전방식을 부분적으로 대체할 수 있게 된다.

조력발전, 다중나선형 수차, 조수간만의차, 방조제, 수문, 만조, 간조, 사리, 조금

Description

조력발전 방식 {TIDAL POWER GENERATION METHOD}

도 1은 본 발명의 조력발전구조물( 11 )의 외형 및 수차( 60 )설치부위 단면사시도

도 2는 본 발명의 조력발전구조물( 11 )의 평면도

도 3은 본 발명의 수차( 60 )설치부위 횡단면도

도 4는 본 발명의 수차( 60 )설치부위 종단면도

도 5는 본 발명의 보조수문( 30 ) 설치부위 단면사시도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 물막이용 방조제, 11 : 조력발전구조물

20 : 수차용수문, 21 : 수차용수로

23 : 여과장치

30 : 보조수문, 31 : 보조수로

50 : 점검구

60 : 다중나선형 수차

70 : 평균만조수위, 71 : 평균간조수위

80 : 발전실, 81 : 발전기

82 : 발전보조실

본 발명은 조수간만의 차를 이용한 조력발전에 관한 것으로;

지금까지 조수간만의 차를 이용한 조력발전에서는, 방조제를 설치하여 밀물과 썰물의 수위차와 유속을 이용하여 발전하는 방식으로 튜브라 수차와 벌브수차 등의 수차발전기를 사용하여 발전하는 방식이 사용되고 있으며, 수차와 발전기가 일체형으로 발전기를 수중에 시설하는 방식과, 수차와 발전기를 분리시켜 수차와 외부에 설치된 발전기를 축으로 연결하여 사용하는 방식 등이 사용되고 있다.

수차와 발전기가 일체형인 수차발전기를 사용하는 경우, 발전기를 수중에 설치하게 되어, 수중용 수차발전기의 가격이 비싸지며, 발전기의 크기만큼 구조물의 형상이 복잡하고, 구조물의 규모가 커지게 되어 시설비가 증가하게 되고, 유지관리가 어려운 문제점이 있다.

수차와 발전기를 분리형으로 사용하는 경우, 축으로 수차와 발전기가 연결되며, 길게 연결되는 축으로 인한 축부하와 동력전달 손실이 발생하여 효율이 떨어지게 되며, 별도의 발전실용 구조물이 필요하여 시설비가 증가하게 된다.

또한 저낙차와 소규모용량의 조력발전 시설이 필요한 경우 기존의 방식으로 는 적용에 어려움이 발생할 수 있다.

저낙차에서는 물의 위치에너지가 작아 빠른 유속을 이용할 수 없기 때문에, 많은 유량에서 에너지를 회수하기 위해서는, 수차가 설치되는 수로의 단면적이 커져야 하고;

저낙차와 저속으로 흐르는 물의 에너지를 효율적으로 회수하기 위해서는, 물과 접촉하는 회전날개의 면적을 증가시켜야 하는 등의 문제점이 발생된다.

이로 인하여 기존의 방식과는 다른 방법으로 물의 에너지를 회수할 수 있도록, 저낙차용 수차를 개발하여 적용하여야 하는 실정이다.

따라서, 기존 조력 발전의 문제점을 해결하기위하여;

본 발명의 조력발전 방식에서는 조력의 특징인 저낙차와 많은 유량, 저속 등에서, 물이가지고 있는 에너지를 효율적으로 회수하기위한 방법으로, 저낙차용 수차로 개발되어 특허출원된 다중나선형 수차( 10-2007-0010402 )를 사용한다.

본 발명의 조력발전 방식에서는, 조수간만의 차를 이용한 조력발전에서 다중나선형 수차( 60 )가 작동할 수 있는 기본구성과, 에너지회수를 위한 기본구조물의 형상을 제시하여, 밀물과 썰물시 물의 흐름방향이 바뀌어도 작동할 수 있으며;

사리에 대비하여 발전용 수량과 낙차를 최대한 확보할 수 있도록, 보조수문( 30 )과 보조수로( 31 )를 설치하여 방조제( 10 )내부와 외부의 수위차를 조절할 수 있는 구조로, 실제 가동할 수 있는 조력 발전장치의 특징을 갖는다.

본 발명의 조력발전 방식에서는;

바닷가에 물막이용 방조제( 10 )를 설치하여 밀물시 유입되는 물을 저장하고;

밀물시 방조제( 10 )내부와 외부의 수위차와 유속을 이용하여, 다중나선형 수차( 60 )를 통과하는 해수의 에너지를 회전력으로 회수하여 발전을 하게 되며;

썰물시 방조제( 10 )내부에 저장된 해수를 다중나선형 수차( 60 )로 통과시켜 발전을 하고 방류하게 된다.

바닷물의 수위는 사리와 조금으로 인하여, 만조와 간조시의 수위변화가 크게 발생하게 되고, 밀물과 썰물시 물의 흐름이 정지되는 시점이 발생하기 때문에 보조수문( 30 )과 보조수로( 31 )를 설치하여, 이에 대비할 수 있도록 한다.

만조에는 발전이 중지되며, 이때 보조수문( 30 ) 전체를 개방하여 방조제 내부에 발전용 해수를 유입하고;

간조시 발전을 할 수 없는 낙차에서는, 보조수문( 30 )의 하부를 개방하여, 방조제 내부의 해수를 외부로 방류하게 되며, 방조제 내부의 해수면을 최대한 낮게 유지하여, 밀물시 방조제 내부와 외부의 수위차를 크게 발생시켜 발전에 이용할 수 있게 된다.

따라서, 사리와 조금으로 인한 만조와 간조의 수위변화에 효과적으로 대처할 수 있게 되어, 조수간만의 차를 이용한 조력발전에서 효율적인 발전을 할 수 있게 된다.

또한, 수차( 60 )의 상부에 발전실( 80 )을 설치하여 조력발전구조물( 11 )의 형상이 복잡하지 않고, 조력발전구조물( 11 )의 규모를 작게 할 수 있게 되며;

수중용 발전기가 아닌 범용발전기( 81 )를 사용할 수 있게 되어, 시설비용을 줄일 수 있으며, 수차( 60 )와 발전기( 80 )의 유지관리를 용이하게 할 수 있다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 조력발전 구조물의 외형 및 수차( 60 )설치부위 단면사시도로, 전체 구조물의 형상과 수차 설치부위의 단면을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 조력발전구조물( 11 )의 발전보조실( 82 ) 평면도로, 전체 구조물( 11 )의 평면과 각 구성의 배치를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 수차( 60 )설치부위 횡단면도로, 각 구성의 단면적 배치를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 수차( 60 )설치부위 종단면도로, 수차( 60 )와 발전기( 81 ) 및 수문 등의 구성을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 보조수문( 30 ) 설치부위 단면사시도로, 보조수문( 30 )과 보조수로( 31 )를 나타낸다.

본 발명에 의한 조력발전 방식의 구성은 바닷가에 설치하는 물막이용 방조제( 10 )와;

물막이용 방조제( 10 )의 해수저장용량과 낙차에 따라 필요한 부위에 한개소 이상의 조력발전구조물( 11 )을 설치하고;

도면에서와 같이 조력발전구조물( 11 )에는, 보조수문( 30 )과 보조수로( 31 ), 수차용수문( 20 )과 수차용수로( 21 )및 여과장치( 23 ), 다중나선형 수차( 60 )와 발전실( 80 ), 발전기( 81 )와 발전보조실( 82 )로 구성되며, 해수의 낙차와 방조제( 10 )내부에 저장된 해수의양에 따라 수차( 60 )와 발전기( 81 )의 수량을 증가시켜 사용할 수 있다.

물막이용 방조제( 10 )는, 기존의 방조제시공 공법으로 설치한다.

물막이용 방조제( 10 )는, 작동수위와 만조시 최고수위 태풍 등 안전을 고려하여 적절한 높이로 시공한다.

물막이용 방조제( 10 )에서 작동수위의 기준은, 상단은 평균만조수위( 70 )와 하단은 평균간조수위( 71 )로 하고, 평균만조수위( 70 )와 평균간조수위( 71 )의 차이를 평균낙차로 하여 조력발전용 수차( 60 )가 가동하게 되며, 밀물과 썰물시 방조제( 10 )내부와 외부의 수위가 반대로 유지된다.

물막이용 방조제( 10 )의 위치는, 사리간조시의 해안선에 설치하면 사리만조와 사리간조의 최대낙차를 이용할 수 있으나, 물막이용 방조제( 10 )의 시설비용과 조금의 적은수위차를 고려하여 평균간조수위( 71 )를 기준으로 설치하는 것이 바람직하다.

물막이용 방조제( 10 )는, 밀물시 방조제( 10 )로 유입되는 물을 차단하여 방조제( 10 )내부와 외부의 수위차를 유도하고, 수위차와 밀물의 유속, 유량에 의해서 방조제( 10 )내부로 바닷물이 유입되도록 하여, 발전이 가능하도록 하는 역할과, 방조제( 10 )내부로 유입되는 해수를 저장하여 썰물시 다시 발전할 수 있도록 한다.

물막이용 방조제( 10 )에 하나이상 설치되는 조력발전구조물( 11 )은, 해수가 유입되는 위치에 여과장치( 23 )와 수차용수문( 20 )이 설치되고, 수차용수문( 20 ) 이후에 수차용수로( 21 )가 형성되며, 수차용수로( 21 )의 하부에 수차( 60 )가 설치된다.

조력발전구조물( 11 )은 방조제( 10 )와 연결되며, 바닷물의 유동이 많고, 낙차가 크게 발생하는 곳에 설치되며, 밀물과 썰물에도 안전한 구조가 될 수 있도록 콘크리트로 설치한다.

여과장치( 23 )는, 수차( 60 )로 통과하기 어려운 크기의 돌 또는 이물질 등이 유입되지 않도록 하는 역할을 하며, 여과장치( 23 )는 토사와 퇴적물, 작은 물고기 등이 통과할 수 있도록, 적정한 간격의 격자 형태로, 내식성과 내구성을 가진 재질로 제작하여 설치한다.

수차용수문( 20 )은, 수차( 60 )로 유입되는 해수를 차단 및 개방하는 역할을 하고, 밀물과 썰물시 수문( 20 )의 반복적인 개폐동작에 구조와 작동이 안정적이어야 하며, 자동으로 개폐가 가능한 구조의 수문( 20 )을 설치하는 것이 바람직하다.

수차용수문( 20 )은 물막이용 방조제( 10 )의 내부와 외부의 수위차에 의해 개폐 시기가 결정되며;

밀물시, 방조제( 10 )내부와 외부의 수위차이와 밀물의 유속과 유량이 확보되어 발전이 가능한 경우, 수차용수문( 20 )을 개방하여 발전을 하고, 만조시 물의 흐름이 정지되어 발전이 정지되는 경우에 수차용수문( 20 )을 폐쇄하며;

썰물시, 방조제( 10 )외부의 수위가 하강하여 발전에 필요한 수위까지 확보되었을 때 수차용수문( 20 )을 개방하여 발전을 시작할 수 있도록 한다.

또한, 썰물이 종료되면 수차용수문( 20 )을 폐쇄시켜, 밀물시 수차용수문( 20 )을 개방하여 발전이 시작될 수 있도록 준비한다.

수차용수문( 20 )은, 수차( 60 )의 보수 및 점검시 폐쇄하여 사용하고, 조력발전구조물( 11 )의 내부와 외부에 설치된 수차용수문( 20 )은 번갈아 사용하여 수차용수문( 20 )의 기능 및 수명을 최대한 활용할 수 있도록 한다.

수차용수문( 20 )이후의 공간은, 수차용수로( 21 )로 형성되며, 수차용수로( 21 )는 수차( 60 )의 점검 및 유지보수용 공간으로 활용된다.

유지보수용 공간 이후에 수차( 60 )로 해수가 원활히 유입되고, 수차( 60 )에서 해수의 통과속도를 증가시키기 위하여, 해수 유입구에서 부터 수차( 60 )까지 경사지게 구조물을 설치한다.

수차용수로( 21 )의 경사진 구조물 하부에는 수차( 60 )가 설치되며, 경사로에 의해 빨라진 속도의 해수가 수차( 60 )로 유입되어, 수차( 60 )에 위치에너지와 운동에너지를 전달하게 되고, 수차용수로( 21 )의 하부에 설치된 수차( 60 )는, 조력발전구조물( 11 )에서 발생시킬 수 있는 최대한의 수위차를 이용할 수 있게 된다.

수차( 60 )는 밀물과 썰물에 따라 정회전과 역회전을 하며, 도 4에 도시된 바와 같이 수차( 60 )를 기준으로 하여, 조력발전구조물( 11 )의 내부와 외부는 동일한 구조를 갖추게 되며, 밀물과 썰물시 동일한 조건으로 수차( 60 )에 해수가 유입되어 수차( 60 )가 회전할 수 있도록 한다.

수차( 60 )의 상부에는 발전실( 80 )을 형성하고, 수차( 60 )와 분리되어 발전실( 80 )에 설치되는 발전기( 81 )는, 수차( 60 )의 동력전달축 으로부터 회전력을 공급받아 전기를 발생시켜, 실질적인 발전의 목적을 달성하게 된다.

발전실( 80 )은 발전기( 81 )의 유지보수 및 고장시 교체가 가능하도록 공간과 통로를 확보하고, 발전실( 80 ) 내부로 해수가 침입하는 경우를 대비하여 비상용 배수펌프를 설치한다.

발전실( 80 )의 상부는 발전보조실( 82 )로, 수문의 개폐용 시설과 발전 및 송전에 필요한 시설, 발전기( 81 )와 수차( 60 )의 유지보수에 필요한 공간으로 활용한다.

발전보조실( 82 )에는 수차( 60 )의 유지보수용 공간인 수차용수로( 21 )로 출입할 수 있도록 점검구( 50 )가 형성되고, 점검구( 50 )는 만조시 최대수위 이상의 높이에 설치하며, 수차( 60 )의 교체시 수차( 60 )가 통과할 수 있는 크기로 설치한다.

바닷물의 수위는 사리와 조금으로 인하여 수위변화가 크게 발생하게 되고, 밀물과 썰물시 물의 흐름이 정지되는 시점이 발생하게 된다.

이에 대한 대비로, 조력발전구조물( 11 )의 양측에는 보조수문( 30 )과 보조수로( 31 )가 형성되며, 보조수문( 30 )의 적절한 개폐에 따라 조력발전의 효율을 높일 수 있다.

보조수문( 30 )은 자동으로 개폐할 수 있는 수문을 설치하는 것이 바람직하며, 반복 사용에도 구조와 작동이 안정되도록 설치한다.

보조수문( 30 )의 개폐 시기는 만조와 간조시로 구분된다.

만조에 가까워지면 방조제( 10 )내부로 유입되는 해수의 양이 줄어들게 되고, 방조제( 10 )내부와 외부의 수위차이가 줄어들게 되어 발전을 할 수 없게 된다.

이때는 보조수문( 30 )전체를 개방하여, 방조제( 10 )내부보다 수위가 높은 방조제( 10 )외부의 해수를 보조수로( 31 )를 통하여 방조제( 10 )내부로 유입시켜 방조제( 10 ) 내부와 외부의 수위차를 최소화 시키며;

썰물이 시작되기 전까지 방조제( 10 ) 내부로 해수를 유입하여 발전용 해수를 확보한 후 보조수문( 30 )을 폐쇄시켜, 방조제( 10 ) 내부의 바닷물 수위를 최대한 확보하고, 썰물시 수차용수문( 20 )을 개방했을 때 발전효율을 높일 수 있도록 한다.

간조시 발전을 할 수 없는 낙차에서는, 보조수문( 30 )의 하부를 개방하여 방조제( 10 )내부의 해수를 방조제( 10 )외부로 방류하게 되며, 방류완료시 보조수문( 30 )을 폐쇄하여, 방조제( 10 )내부의 해수면을 최대한 낮게 유지하게 되고, 밀물시 방조제( 10 )내부와 외부의 수위차를 크게 발생시켜 발전에 이용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 조력발전 방식에서 환경에 영향이 미치지 않도록 사용하는 방법으로, 조력발전구조물( 11 )의 수차용수문( 20 )을 개방한 상태에서 자연스럽게 해수가 유통되도록 하여 운전을 할 수 있으며;

이 경우 밀물과 썰물의 유속과 유량만을 이용하게 되어, 에너지 회수효율은 떨어지게 되나, 바닷물을 저장하지 않아도 되며;

밀물과 썰물시 낙차를 이용하기 위하여, 해수의 흐름을 차단시켜서 발생되는 밀물과 썰물의 시간지연현상이 발생되지 않게 되어, 환경에 영향을 주지 않는 방식으로 운전을 할 수 있게 된다.

본 발명의 조력 발전방식을 이용하여 발전하는 경우, 기존의 방식으로 발전할 수 없는 범위의 저낙차와 소규모의 조력발전에서도 발전이 가능하게 되어, 조수간만의 차가 발생되는 바닷가 또는 섬에 조력 발전시설을 설치할 수 있게 되며, 막대한 해양에너지의 한부분인 조수간만의 차를 이용한 조력발전시설의 활용범위를 확대시켜 사용할 수 있게 된다.

또한 수차( 60 )의 상부에 발전실( 80 )을 설치하여, 조력발전구조물( 11 )의 형상이 복잡하지 않고, 조력발전구조물( 11 )의 규모를 작게 할 수 있으며, 수중용 발전기가 아닌 범용발전기( 81 )를 사용할 수 있게 되어 시설비용을 줄일 수 있고, 유지관리가 용이한 발전시설을 제공한다.

또한 무공해 천연자원인 조력 에너지를 이용할 수 있게 되어, 조력 발전량에 해당하는 만큼의 에너지 수입대체 효과와, CO2 배출량을 줄일 수 있게 되어 지구온난화 방지에 기여할 수 있고, CO2 배출 규제에 대비할 수 있는 청정에너지로, 화석연료를 사용하는 발전방식을 부분적으로 대체할 수 있다.

Claims (2)

1. 바닷물의 유동이 많고, 낙차가 큰곳에 설치되는 조력발전구조물( 11 )과;

   조력발전구조물( 11 )의 양측에 설치되는 보조수문( 30 )과 보조수로( 31 )와;

   조력발전구조물( 11 )의 양측 보조수로( 31 ) 사이에 설치되는 다수개의 수차용수문( 20 )과, 수차용수로( 21 ) 및 여과장치( 23 )와;

   수차용수로( 21 )의 하부에 설치되는 다중나선형 수차( 60 )와;

   다중나선형 수차( 60 )의 상부에 설치되는 발전실( 80 )과;

   다중나선형 수차( 60 )와 분리되어 발전실( 80 )에 설치되는 발전기( 81 )와;

   발전실( 80 )의 상부에 발전보조실( 82 )로 구성되는 것을 특징으로 하는 조력발전 방식
2. 제1항에 있어서

   바닷물을 저장하기 위해 설치되는 물막이용 방조제( 10 )와;

   물막이용 방조제( 10 )의 낙차와 저장용량에 따라 필요한 부위에 설치되는 하나이상의 조력발전구조물( 11 )을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조력발전 방식

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