KR20100109659A - 조류력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조류력 발전장치에 관한 것으로, 그 목적은 조류 방향의 변화시 특별한 조치 없이도 발전이 가능하고, 또 수차의 날개 끝단에의 와류 발생을 방지하여 발전 효율을 증가시킬 수 있는 조류력 발전장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 부유체 또는 고정구조물에 발전기가 구비되고, 조류에 의해 회전하는 수차가 상기 발전기에 연결되어 발전하는 조류력 발전장치에 있어서, 선박의 선미단 보스부와 같이 외측 방향으로 볼록하게 돌출된 유선 형상을 갖도록 형성되어 수차를 지지하는 한쌍의 수차 고정부가 전후단에 상호 대칭구조를 갖도록 형성된 지지용 구조물이 상기 부유체 또는 고정구조물에 구비되어 조석 변화에 따른 조류 방향 변화에 상관없이 양방향 발전이 가능하도록 구성된 조류력 발전장치에 관한 것을 기술적 요지로 한다.

조류력 발전, 지지용 구조물, 수차 고정부, 수차

Description

조류력 발전장치{Current Power Generation System}

본 발명은 해양이나 하천의 조류에너지를 이용하여 전기를 발생하는 조류력 발전장치에 관한 것이다.

기존의 화석에너지 자원은 점차 고갈되어갈 뿐만 아니라 지구환경을 오염시키기 때문에 오래전부터 인류는 고갈되지 않고 환경을 오염시키지 않는 청정 대체에너지 개발을 위하여 많은 연구와 노력을 기울여 왔다. 이러한 청정대체 에너지는 태양에너지(solar energy), 풍력에너지(wind energy), 조류력에너지(current energy), 조력에너지(tidal energy), 지열에너지(geo-thermal energy), 생화학에너지(bio-chemical energy) 등이 있다.

한편 상기 조류력 발전장치는 조수간만의 차이를 이용하여 만조 때 물을 저장하여 두었다가 간조 때 낙차를 이용하여 발전하는 조력 발전장치(tidal power generation system)와는 전혀 다른 것으로, 해양이나 하천의 조류에너지를 이용하여 발전하는 것이다.

세계 곳곳에는 상당히 빠른 해류가 발생하는 곳이 많이 있고 우리나라 남해 안에도 10놋트 이상의 고속 조류지역이 있어 이 조류에너지를 이용하여 대용량의 발전장치를 구동할 수 있다. 해양연구원의 조사자료에 의하면 우리나라 남해안에도 전남 진도대교 부근 울돌목에 약 500 MW, 진도 서남부인 장죽수도에 약 500 MW, 진도 남부인 맹골수도에서 약 2,500 MW의 전력 생산이 가능한 조류력 자원이 있으며 총 원자력 발전소 15기에 해당하는 에너지 자원이 있다고 한다.

수력을 이용한 발전장치에서는 임펠러(impeller)식 수차에 의하여 회전력을 발생시키고 발전기를 구동함으로써 에너지를 생성하는 것이 일반적인 방법이다.

그러나 조류력 발전에 있어서 이러한 임펠러식 발전방법은 에너지 생성효율이 다른 방법에 비하여 높은 편이지만 몇 가지 큰 단점을 가지고 있다.

우선 임펠러에서 발생한 수평회전력을 이용하여 부유체나 고정구조물 위의 발전기를 구동하자면, 수평회전력을 수직회전력으로 바꾸어야 하는데, 회전력의 방향을 바꾸는 베벨치차(bevel gear) 장치가 고가이고, 동력전달 효율이 감소되며, 또한 수중설치를 위해 밀폐구조로 만들어야 하므로 보수유지가 어려운 단점이 있다. 특히 우리나라 남해안 지역처럼 조류의 방향이 바뀌면 임펠러의 전면이 조류가 오는 쪽을 향하도록 방향을 바꾸어 주어야 하는데 부유체인 경우에도 방향을 바꾸기가 대단히 어려우며 고정구조물의 경우에는 불가능하므로 원활한 발전이 어려운 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 조류 방향의 변화시 특별한 조치 없이도 발전이 가능하고, 또 수차의 날개 끝단에의 와류 발생을 방지하여 발전 효율을 증가시킬 수 있는 조류력 발전장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 조류력 발전장치는 부유체 또는 고정구조물에 발전기가 구비되고, 조류에 의해 회전하는 수차가 상기 발전기에 연결되어 발전하는 조류력 발전장치에 있어서, 선박의 선미단 보스부와 같이 외측 방향으로 볼록하게 돌출된 유선 형상을 갖도록 형성되어 수차를 지지하는 한쌍의 수차 고정부가 전후단에 상호 대칭구조를 갖도록 형성된 지지용 구조물이 상기 부유체 또는 고정구조물에 구비되어 조석 변화에 따른 조류 방향 변화에 상관없이 양방향 발전이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 수차는 허브의 원주상에 다수개의 날개가 설치되며, 상기 날개의 종단부가 링부재에 의해 상호 연결된 것으로 구성되어 날개 종단부위에서 역류 또는 와류가 발생하는 것을 방지하여 수차의 회전력을 향상시킨 것으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 지지용 구조물은 다수개로 구성되며, 다수개의 지지용 구조물은 부유체 또는 고정구조물의 하부에 설치되어 대용량의 발전이 가능하도록 구성될 수 있다.

한편, 상기 발전기와 수차의 사이에는 증속기가 더 설치될 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 조류력 발전장치를 구성함에 있어 지지용 구조물의 전후단에 대칭구조로 수차를 설치함으로써, 조석 변화에 따라 조류방향이 바뀔지라도 별다른 조치없이 발전이 가능하여 조류의 방향 변화가 빈번한 장소에서도 원활한 발전이 가능하게 되었다.

또한 수중에 위치하여 수차를 지지하는 지지용 구조물이 선박의 선미단 보스부와 흡사한 유선형으로 형성됨으로써 유체에 의한 저항의 극소화시켜 구조물의 안정성을 향상시킬 수 있게 되었다.

또한 수차에 구비된 각 날개의 종단부를 상호 연결하는 링부재를 설치하여 반지형 구조의 수차를 형성함으로써, 수차의 회전시 날개의 종단부위에서 발생하는 역류 또는 와류를 방지함으로써 수차의 회전력을 향상시켜 발전효율을 높일 수 있게 되었다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하 면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조류력 발전장치의 개념도를 도시하고 있다.

본 발명의 조류력 발전장치는 선박의 선미부 구조를 응용하여 선미의 역할을 하는 단순한 구조로 지지용 구조물(120)을 구성하여 수차(130)를 설치하고, 상기 수차(130)와 발전기(140)를 축(150)으로 연결함으로써, 조류에 의한 수차(130)의 회전시 회전력(토크)을 발전기(140)로 전달하여 발전하도록 한 것으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조류력 발전장치는 양단 동형의 유선형 구조로 형성되어 부유체(110) 또는 고정구조물에 설치되는 지지용 구조물(120)과, 상기 지지용 구조물(120)에 설치되며 조류에 의해 회전하는 반지형 구조를 갖는 수차(130)로 구성되어 있다.

한편 도 1에는 부유체(110)가 도시되어 있으며, 상기 고정구조물의 경우 지지용 구조물(120)을 안정되게 지지할 수 있는 구조라면 어떠한 구조물도 사용될 수 있는 바 고정구조물에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 2는 선박의 추진시스템의 개념도를 도시하고 있다.

선박의 추진시스템은 동력원으로 엔진(10)이 사용되며, 상기 엔진은 선미단 보스부(20)에 장착된 추진 프로펠러(Screw propeller,30)와 축(Propeller shaft,40)으로 연결되어 추진 프로펠러를 회전시킴으로써 추진력을 발생하도록 되어 있다.

본 발명의 조류력 발전장치는 상기와 같은 선박의 추진시스템을 응용하여 유 체의 흐름에 대한 저항이 매우 작은 선미단 보스부(20)의 형상을 지지용 구조물(120)에 적용하고, 상기 지지용 구조물(120)에 엔진과 프로펠러를 대신하여 발전기(140)와 수차(130)를 설치하여 조류력 발전장치를 구성한 것이다.

한편, 상기 지지용 구조물(120)의 형상으로 언급된 양단 동형의 유선형 구조라 함은 수차(130)의 지지를 위한 한쌍의 수차 고정부(121,121`)를 지지용 구조물(120)의 전후단에 상호 대칭구조를 갖도록 형성하되, 각각의 수차 고정부(121,121`)가 선박의 선미단 보스부와 같이 볼록하게 돌출된 유선형의 구조를 갖도록 형성된 것을 의미하는 것이다. 이러한 형상을 갖는 지지용 구조물(120)은 수중에서 유체 흐름에 의해 발생되는 저항의 극소화가 가능하므로 조류력 발전장치의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 이점을 가지고 있다.

또한, 우리나라 남해의 경우, 조류방향이 하루에 2번 바뀌는데, 조류방향의 변화에 따라 발전장치 장치 자체의 방향을 바꾸는 것은 대단히 어려워 실질적으로 실현이 불가능하며, 실현한다 할지라도 비경제적인 문제점을 갖고 있으나, 본 발명의 조류력 발전장치는 지지용 구조물(120)의 전후단에 동일한 모양으로 상호 대칭되는 구조를 갖는 수차 고정부(121,121`)를 설치함으로써 조류방향에 대한 문제를 간단하게 해결할 수 있게 된다.

일예로, 도 1에서 조류가 오른쪽에서 왼쪽으로 흐르는 경우, 오른쪽 수차(130`)가 주동력 발생장치가 되고 왼쪽 수차(130)는 보조적인 역할을 하며, 조류방향이 왼쪽에서 오른쪽으로 바뀔 경우에는 반대로 왼쪽 수차(130)가 주동력 발생장치가 되고 오른쪽 수차(130`)는 보조적인 역할을 하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 수차의 사시도를 도시하고 있다.

상기 수차(130)는 제작이 간편하고 동일한 조류 속도에서 보다 큰 회전력(토크)의 발생이 가능하도록 한 것으로, 허브(131)의 원주상에 다수개의 날개(132)가 설치되며, 상기 날개(132)의 종단부가 링부재(133)에 의해 상호 연결된 것으로 구성되어 있다.

이러한 구조의 수차(130)는 각각의 날개(132)가 링부재(133)에 의해 상호 연결되어 각각의 날개가 독립된 구조의 기존 수차에 비하여 구조적으로 보다 안정적일 뿐만 아니라, 조류에 의하여 수차(130)가 회전할 때, 각 날개(132)의 종단부에서 역류나 와류가 발생하는 것을 링부재(133)가 방지해 주므로 진동이나 구조적인 측면에서 보다 안정적이고 또한 효율을 크게 증가시킬 수 있다.

도 4는 다수개의 지지용 구조물과 수차를 이용하여 대용량 발전이 가능토록 한 조류력 발전장치의 개념도를 도시하고 있다.

상기와 같이 양단 동형 유선형의 형상을 갖는 지지용 구조물(120)을 부유체(110) 또는 고정구조물의 하부에 다수개 설치하여 대용량의 발전장치를 구성할 수도 있다. 물론 각각의 지지용 구조물(120)에는 수차(130)로부터 회전력을 전달받아 발전하는 발전기(140)가 구비되어 있다.

도 5는 증속기가 추가적으로 설치된 조류력 발전장치의 개념도를 도시하고 있다.

실제 조류력 발전장치 제작시에는 한 가지 고려할 점이 있다. 조류에 의하여 수차(130)를 회전시킬 때 회전력(토크)은 상당히 크지만 회전속도, 즉 분당 회전 수(RPM)가 낮아 발전기(140)의 크기가 커지고 또한 발전효율이 낮아지게 된다. 따라서 수차(130)의 낮은 회전속도를 보완할 수 있는 증속기(150,150`)를 수차(130)와 발전기(140)의 사이에 설치하는 것이 바람직하다.

도 6은 구조물 상부에 발전기를 설치한 조류력 발전장치의 개념도를 도시하고 있다.

상기 발전기(140)의 유지보수의 용이함을 위하여 부유체(110)나 고정구조물의 위에 발전기(140)를 설치하고자 할 경우, 증속 베벨치차(step-up bevel gear,160)를 이용하여 수차(130)와 발전기(140)를 연결함으로써, 발전기(140)를 부유체(110) 또는 고정구조물의 위로 배치할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 조류력 발전장치의 성능시험을 위하여 제작된 소형 조류력 발전장치에서 직경 1m의 수차를 구비하고 있는 모습을 촬영한 사진이다.

상기와 같이 제작된 소형 조류력 발전장치를 길이 220m 되는 심수 예인수조에서 예인전차가 소형 조류력 발전장치를 유속 5m/s로 예인할 때 직경 0.5m의 수차를 구비한 경우와 직경 1.0m인 수차를 구비한 경우의 시험을 수행한 결과, 측정된 발전량은 각각 5.98kW 및 27.8kW의 결과를 얻을 수 있었다.

상기 시험결과에 기초하여 우리나라 남해안의 최대 유속시 직경 10m의 수차(130)를 갖는 조류력 발전장치를 설치하였을 때, 조류력 발전장치 1대당 5,000kW 이상의 발전량을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

더욱이 도 4에 도시된 바와 같이, 다수개의 지지용 구조물(120)이 설치된 조 류력 발전장치를 이용할 경우, 지지용 구조물(120)의 개수에 비례하여 발전량을 증가시킬 수 있으므로, 통상적인 화력발전이나 원자력발전에 버금가는 대규모의 발전이 가능할 것으로 예측된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조류력 발전장치의 개념도,

도 2 는 선박의 추진시스템의 개념도,

도 3 은 본 발명에 따른 수차의 사시도,

도 4 는 다수개의 지지용 구조물과 수차를 이용하여 대용량 발전이 가능토록 한 조류력 발전장치의 개념도,

도 5 는 증속기가 추가적으로 설치된 조류력 발전장치의 개념도,

도 6 은 발전기의 위치가 변경된 조류력 발전장치의 개념도,

도 7 은 본 발명에 따른 조류력 발전장치의 성능시험을 위하여 제작된 소형 조류력 발전장치를 촬영한 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(20) : 선미단 보스부 (110) : 부유체

(120) : 지지용 구조물 (121),(121`) : 수차 고정부

(130) : 수차 (131) : 허브

(132) : 날개 (133) : 링부재

(140) : 발전기 (150) : 증속기

Claims (4)

1. 부유체(110) 또는 고정구조물에 발전기(140)가 구비되고, 조류에 의해 회전하는 수차(130)가 상기 발전기(140)에 연결되어 발전하는 조류력 발전장치에 있어서,

   선박의 선미단 보스부(20)와 같이 외측 방향으로 볼록하게 돌출된 유선 형상을 갖도록 형성되어 수차(130)를 지지하는 한쌍의 수차 고정부(121,121`)가 전후단에 상호 대칭구조를 갖도록 형성된 지지용 구조물(120)이 상기 부유체(110) 또는 고정구조물에 구비되어 조석 변화에 따른 조류 방향 변화에 상관없이 양방향 발전이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 조류력 발전장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수차(130)는 허브(131)의 원주상에 다수개의 날개(132)가 설치되며, 상기 날개(132)의 종단부가 링부재(133)에 의해 상호 연결된 것으로 구성되어 날개(132) 종단부위에서 역류 또는 와류가 발생하는 것을 방지하여 수차의 회전력을 향상시킨 것을 특징으로 하는 조류력 발전장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지용 구조물(120)은 다수개로 구성되며,

   다수개의 지지용 구조물(120)은 부유체(110) 또는 고정구조물의 하부에 설치되어 대용량의 발전이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 조류력 발전장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 발전기(140)와 수차(130)의 사이에는 증속기(150)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 조류력 발전장치.

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