KR20090068514A - 부력을 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조수 간만의 차이가 일정 이상인 바닷가나, 강계의 수위차가 일정 이상인 지역에서 가동조의 승강에 의한 직선운동을 회전운동으로 변환하여 전력을 생산하되 가동조의 승강에 의한 에너지 손실을 최소화하면서 발전수단이 원활히 회전되어 전력 생산이 이루어지도록 한 부력을 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 방조제의 상단에 밀물에 의해 밀려들어온 물을 저장하는 저장조를 설치하고, 방조제의 일측에는 저장조의 물이 저장 및 배출되는 도크가 설치되며, 도크의 내측에 물의 공급 및 배수에 의해 승강되는 가동조가 구비되며, 상기 가동조의 상단에 결합되어 상기 가동조의 승강에 따라 직선 이동되는 랙기어와 맞물려 회전되는 피니언기어와 상기 피니언기어와 연결되어 증속하는 증속 기어장치의 회전되는 일단의 축에 연결되어져 회전되면서 전력을 생산하는 발전수단;을 포함하여 구성된다.

이에 따라, 인위적인 에너지의 공급이 없이도 부력을 이용하여 가동조의 승강에 의한 에너지 손실을 최소화하면서 발전수단이 원활히 회전되어 높은 효율의 전력 생산이 이루어지는 효과를 가지게 된다.

조력발전, 부력, 랙기어, 피니언기어

Description

부력을 이용한 발전장치{a generator with buoyancy}

본 발명은 부력을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조수간만의 차이가 일정 이상인 바닷가나, 강계의 수위차가 일정 이상인 지역에서 에너지 손실을 최소화하면서도 효과적인 발전이 가능할 뿐만 아니라, 시설 규모를 간소화 할 수 있도록 한 부력을 이용한 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 조력발전은 크게 조수 간만에 의한 수위차를 이용하는 방식과 조수의 수평방향 유동력을 이용하는 방식으로 구분되는데, 이 중 조수 간만의 수위차를 이용하는 방식은 하구나 만을 방조제로 막아 조석으로 인해 발생되는 방조제 내부와 외부의 수위차를 이용하여 발전을 하는 것으로, 수위가 높은 쪽으로부터 낮은 쪽으로 바닷물을 낙하시키면서 수차발전기를 돌려 전력을 생산하게 된다.

이러한 조력발전은 비교적 효율이 떨어지고, 건설비용 및 유지비가 많이 소요되는 등의 단점도 있으나, 이용할 수 있는 에너지의 양이 막대하고, 공해를 유발하지 않는 등의 장점이 있어 우리나라를 비롯하여 입지조건이 우수한 환경을 갖춘 나라들에서는 미래의 대체에너지원으로 이를 이용하기 위한 시도가 활발히 진행되고 있다.

그런데, 조수간만의 차를 이용한 종래의 조력발전은 전술한 바와 같이 물을 낙하시켜 수차발전기를 회전시키는 구조이므로 방조제 내부와 외부의 수위차가 커야만 효과적인 발전이 가능하였고, 이에 따라 종래에는 조수간만의 차가 매우 큰 지역에서만 유효한 조력발전시설을 건설할 수 있었고, 이러한 지역은 세계적으로 매우 드물기 때문에 조력발전이 이용이 매우 제한적으로 이루어질 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같이 간만의 차가 큰 바닷물을 수용하고 이를 이용하여 발전을 하기 위해서는 방조제의 높이도 매우 높아야 하며, 그에 따른 발전설비의 규모도 매우 커질 수 밖에 없어 시설비용과 유지관리 비용이 매우 많이 소요되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 2005년 8월 23일자 한국 특허출원 제2005-0077491호에서는 도 4에서 보인 것과 같이 방조제(100)의 상단에 밀물에 의해 밀려들어온 해수를 저장하는 저장조(101)를 설치하고, 방조제(100)의 일측에는 저장조(101)의 해수가 공급되는 도크(200)가 설치되며, 도크(200)의 내측에 해수의 공급 및 배수에 의해 승강되는 가동조(300)가 구비되고, 가동조(300)의 승강에 의해 피스톤(401)을 전,후진 작동시키면서 실린더(402)에 저장된 해수를 분사시키는 분사기(400)가 구비되며, 분사기(400)의 분사력에 의해 발전수단(500)을 회전시킴으로써, 전력의 생산이 이루어지도록 한 부력을 이용한 발전장치가 제안된 바 있다.

하지만, 상기와 같은 부력을 이용한 발전장치는, 분사기에서 분사되는 해수의 유속을 이용하여 발전수단에 결합된 터빈 등을 회전시킴에 따라, 해수의 분사시 에 발생되는 마찰손실이 클 뿐만 아니라, 해수의 분사력이 낮을 경우에는 발전수단을 원활히 회전시키지 못하여 발전 효율이 급격히 저하되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 가동조의 승강에 의한 직선운동을 회전운동으로 변환하여 전력을 생산하되 가동조의 승강에 의한 에너지 손실을 최소화하면서 발전수단이 원활히 회전되어 전력 생산이 이루어지도록 한 부력을 이용한 발전장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 발전수단이 역방향으로 회전되는 것이 방지되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 랙기어의 이동 방향에 관계 없이 발전수단이 상시 일방향으로 회전되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 발전에 필요한 회전력과 토크(Torque)를 유지함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 방조제의 상단에 밀물에 의해 밀려들어온 물을 저장하는 저장조를 설치하고, 방조제의 일측에는 저장조에서 공급된 물이 저장 및 배출되는 도크가 설치되며, 도크의 내측에 물의 공급 및 배수에 의해 승강되는 가동조가 구비되고, 상기 가동조의 상단에 결합되어 상기 가동조의 승강에 따라 직선 이동되는 랙기어와 맞물려 회전되는 피니언기어와 상기 피니 언기어와 연결되어 증속하는 증속 기어장치의 회전되는 일단의 축에 연결되어져 회전되면서 전력을 생산하는 발전수단;을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 피니언기어는 상기 랙기어가 도크의 하측으로 이동될 때 상기 발전수단으로 동력을 전달하고, 상기 랙기어가 도크 상측으로 이동될 때 상기 발전수단의 회전을 방지하는 일방향베어링이 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피니언기어는 상기 랙기어의 이동 방향에 관계 없이 상기 발전수단이 일방향으로만 회전되도록 하는 동력연결수단이 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피니언기어는 피니언 기어의 동일선상의 축에 연결되어 회전속도를 증속 시킬 수 있도록 증속기어 장치를 배열한다.

이에, 본 발명은 가동조 상단에 랙기어를 결합하고, 랙기어에 맞물려 회전되는 피니언기어를 구비하며, 피니언기어의 회전력 증속하는 증속기의 말단의 한축에 발전기를 설치하여 발전이 되도록 함으로써, 인위적인 에너지의 공급이 없이도 부력을 이용하여 가동조의 승강에 의한 에너지 손실을 최소화하면서 발전수단이 원활히 회전되어 높은 효율의 전력 생산이 이루어지는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 피니언기어에 일방향베어링을 결합하여 발전수단이 역방향으로 회전되는 것이 방지되도록 함으로써, 가동조가 상승할 때 발전수단이 역회전함에 따른 발전수단의 파손을 방지하면서도, 원활한 동력 전달이 가능해지는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 피니언기어에 랙기어의 이동 방향에 관계 없이 발전수단이 상시 일방향으로 회전되도록 하는 동력연결수단을 구비함으로써, 저장조가 부력에 의해 승강할 때 발생되는 운동에너지를 더욱 효율적으로 발전에 이용할 수 있게 되어 발전기의 효율이 극대화되는 효과를 가지게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 것으로서, 도 1a는 가동조의 상승 상태를 보인 개략 정면도이고, 도 1b는 가동조의 하강 상태를 보인 개략 정면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예를 보인 평면도로서, 도 1에 도시된 것과 같이 본 발명은 방조제(15)의 하단에 밀물에 의해 유입된 물을 저장하는 저장조(10)가 설치되고, 저장조(10)의 일측에는 저장조로부터 물이 공급되어 저장 및 배출되는 도크(20)가 설치되며, 도크(20)의 내측에 해수 또는 담수의 공급 및 배수에 의해 승강되는 가동조(30)가 구비되고, 가동조(30)의 상부 측으로는 가동조(30)의 승강에 따라 상하 직선 방향으로 이동되는 랙기어(50)와, 랙기어(50)와 맞물려 회전되는 피니언기어(60) 및 피니언기어(60)와 연결되어 회전되면서 회전력을 증속시키는 증속기를 포함하고, 전력을 생산하는 발전수단으로 구성되어 가동조(30)의 승강시 발생되는 에너지 손실을 최소화하면서 원활한 전력의 생산이 이루어지도록 한 것이다.

상기 저장조(10)는 만조시에 유입된 해수 또는 강물의 상류로부터 배관(120)을 통해 유입된 담수를 저장하는 것이다.

상기 도크(20)는 부력에 의해 후술되는 가동조(30)가 승강 작동되도록 하는 것으로서, 상술한 저장조(10)와 통상의 배관(12) 등으로 연결되어 저장조(10)에서 공급된 물이 밸브(121)을 통해 도크(20)의 내측에 저장되도록 하면서, 하부측으로는 개폐 가능한 배출구(21)를 형성하여 도크(20)로 유입된 해수나 담수가 원활하게 배출되도록 한다.

이때, 상기 배출구(21)에서 배출되는 물은 도크(20)의 하부측에 배수저장조(22)를 설치하고 배수저장조(22)에 배출수문(23)을 형성하여, 바다의 수위가 가장 낮아지는 간조 시 배출수문(23)을 개방하여 배수저장조(22)에 저장된 물이 바다로 배출되도록 하고, 강계의 경우 배출구(21)를 통해 배출된 담수를 그대로 강계의 하류로 방류하는 것도 무방하다.

상기 가동조(30)는 상기 도크(20)의 내측에서 승강 되는 것으로서, 도크(20)에 저장된 물의 부력에 의해 상부측으로 부상하고, 도크(20)의 물이 배출구(21)를 통해 배출되면서 수위가 낮아지면 하강하면서 가동조와 일체로 부착된 랙기어(50)를 하강시킨다.

이 때, 상기 가동조(30)는 상술한 저장조(10)에서 공급된 물을 저장(22)하는 탱크 형태로 형성함으로써, 가동조(30)가 하강할 때에는 가동조(30)에 저장된 물(32)의 무게에 의해 더욱 신속하고 원활하게 하강되도록 하고, 가동조(30)가 상승될 때에는 가동조(30)에 저장된 물을 도크(20)의 내측으로 배출시켜 물의 부력에 의한 상승력이 극대화되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 랙기어(50)는 상기 가동조(30)의 상면에 결합되어 있으며, 일측면에 치형을 형성하고, 직선방향으로 왕복 이동되고, 상기 피니언기어(60)는 랙기어(50)의 치형과 맞물리도록 함으로써, 랙기어(50)가 직선 방향으로 이동될 때 피니언기어(60)가 함께 회전되도록 한다.

상기 발전수단은 외부에서 전달된 회전력에 의해 샤프트가 회전하면서 전력을 생산하는 통상의 발전기 등으로 형성되고, 상기 피니언기어(60)와 연결되도록 하여 피니언기어(60)가 회전할 때 발생되는 운동력을 발전수단으로 전달하도록 함으로써, 도크(20) 내부에 채워진 물의 부력에 의해 가동조(30)가 승강되면서 랙기어(50)를 직선 방향으로 이동시키면 그에 의해 피니언기어(60)가 회전하면서 발전수단을 작동시켜 전력의 생산이 이루어지게 되어, 에너지의 손실을 최소화하면서도 작동 효율이 증가되어 더욱 원활하고 효율적인 전력의 생산이 가능해지게 되는 것이다.

더불어, 상술한 피니언기어(60)는 가동조(30)가 하강하면서 랙기어가 하강할 때에만 피니언기어를 회전시켜 동력을 전달하고, 가동조(30)가 상승하면서 랙기어(50)가 상승 이동될 때에는 피니언기어로의 동력 전달이 끊어지도록 하는 통상의 일방향베어링을 결합함으로써, 회전의 역방향 회전에 의한 손상 및 고장 등이 방지되도록 하는 것을 포함한다.

또한 도 2에서 보듯이 , 상술한 도크(20) 및 가동조(30) 및 랙기어(50)와 피니언기어(60)를 다수개(최소 2개 이상)가 배치되도록 함으로써, [1]의 도크에서 가동조가 하강하면서 랙기어와 피니언기어를 통해 샤프트(40)를 회전시키는 동력을 발생시킬때, [2]의 도크에서의 가동조는 상승하면서 [1]의 도크에서 가동조가 하강을 다하기 전까지 상승을 마치어 [1]의 도크의 가동조에서 발생하는 회전 동력을 연속할 수 있도록 상승해 있어야 하고, [1]의 도크의 가동조가 하사점에 이르기 전에 하강을 시작하여 샤프트(40)의 회전동력에 연속성을 가지게 한다.

이러한 반복적인 [1] [2] 도크 및 가동조의 승강을 통해 회전 동력을 발생시키고, 샤프트(40)의 일단에 증속기를 설치 후에 바전장치를 갖는 발전기를 설치한다. 발전기를 결합하여 발전 효율이 더욱 증대되도록 하는 것이 바람직하다.

도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력전달수단의 일 예를 보인 것으로서, 일정 이상의 수위차를 보이는 강계(140)에서의 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보인 것으로서,

도 1a는 가동조의 상승 상태를 보인 개략 정면도,

도 1b는 가동조의 하강 상태를 보인 개략 정면도.

도 2는 본 발명의 전 시스템이 연결 동작되는 개략 평면도.

도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예를 보인 것

도 4는 종래 부력을 이용한 발전장치의 일 예를 보인 개략 정면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 저장조

12 : 배관 121 : 밸브(도크에 공급) 122 : 밸브(가동조에 공급)

13 : 저장조에 유입된 수면의 표시 14: 만조시 해수면의 표시

15 : 방조제

20 : 도크

21 : 배출구 22 : 배수저장조

23 : 배출수문

30 : 가동조

31 : 밸브 32 : 가동조에 유입된 수면의 표시

40 : 샤프트

50 : 랙기어

60 : 피니언기어

70 : 증속기

80 : 발전기

120 : 배관(강계로부터 저장조로 물을 유입하는 통로)

140 : 강계, 계곡, 하천등 일정 수위 이상의 물이 흐르는 곳

Claims (2)

1. 방조제(15)의 하단에 밀물에 의해 밀려들어온 물을 저장하는 저장조(10)를 설치하고, 방조제(15)의 일측에는 저장조(10)에서 공급된 물이 저장 및 배출되는 도크(20)가 설치되며, 도크(20)의 내측에 물의 공급 및 배수에 의해 승강되는 가동조(30)가 구비되고, 상기 가동조(30)의 상단에 결합되어 상기 가동조(30)의 승강에 따라 상하 직선 이동되는 랙기어와 랙기어와 맞물려 회전하는 피니언기어를 이용한 부력을 이용한 발전장치에 있어서,

   상기 가동조(30)의 상단에 결합되어 직선방향으로 상하 왕복 이동되는 랙기어(50)와

   상기 랙기어(50)와 맞물려 회전되는 피니언기어(60)와

   상기 피니언기어(60)와 연결되어 회전되면서 전력을 생산하는 발전수단을 포함하는 부력을 이용한 발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 피니언기어(60);는

   상기 랙기어(50)의 이동 방향에 관계 없이 상기 발전수단(G)이 일방향으로만 회전되도록 하는 동력연결수단(70)이 결합된 것을 특징으로 하는 부력을 이용한 발전장치.

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