KR20110023935A - 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제 - Google Patents

조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 인공방조제에 관한 것이다. 본 발명은, 조수의 급 유속을 유도하는 이중방조제에 있어서, 길이방향을 따른 양측 중 어느 일 측이 상기 조수가 출입하여 흐르는 물길 방향에 대해 일정한 각도로 경사지게 놓이도록 일 측에 제 1 개구를 갖고 물길의 지중으로부터 상기 물길의 수면보다 높도록 돌출된 형상으로 설치된 제 1 인공방조제와; 제 2 개구를 갖고 상기 제 1 방조제와 일정한 간격을 두고 상기 제 1 인공방조제와 동일한 각도로 경사지게 설치된 제 2 인공방조제와; 상기 제 1 및 제 2 인공방조제의 사이에 설치되어 상기 조수에 흐름에 의해 회전하는 다수의 회전축 및 상기 회전축에 설치된 발전터빈으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 조수에 의한 물길을 면적이 제한된 제 1 및 제 2 개구로 한정된 제 1 및 제 2 인공방조제 안으로 물길을 유도하게 되면 조수의 힘에 의해 단위 면적당 에너지밀도를 향상시켜 유속이 빨라지므로 기존의 발전시간(약 6시간 전후)보다 약 3배가 증가된 복류식(양방향) 발전으로 약 18시간의 발전이 가능한 이점이 있고, 이중방조제를 통한 기존의 방조제 공사비보다 훨씬 저렴하게 공사 가능하며, 많은 물레방아 수차 터빈의 설치가 가능하여 기존보다 최대 4배까지 가능하고, 기본 방식처럼 수문을 닫는 것이 아니므로 인공 물길을 통해 생태계 활동이 보장되며 자연 생태계의 영향이 최소 될 수 있는 효과가 있다.
조력발전, 조수간만, 인공방조제, 이중방조제, 제 1 및 제 2 개구

Description

조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제{tide embankment of duplication for tidal power generation inducing the velocity of a moving fluid}
본 발명은 조력발전에 있어 기존의 방조제를 축조하여 조수간만의 차를 이용하여 발전하는 방식이 아닌 조수의 유속을 유도할 수 있는 인공적인 이중방조제를 통한 인공적인 물길을 조성하여 유속을 가속화시켜 발전효율을 제고함으로써 기존의 발전방식에 비해 6~9배까지 발전량을 증가시킬 수 있도록 한 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제에 관한 것이다.
이제까지의 조력발전에 대한 정의는 조력에 의해 발생 된 간만의 차를 이용한 낙차를 통하여 조수의 위치에너지를 운동에너지로 하여 발전을 하는 것으로 이해되어 왔다. 이에 상대되는 개념으로 해류발전이 있는데 해류, 즉 바닷물의 흐름을 말하는데 해류는 조수가 발생하는 만류인력뿐만 아니라 바람 등 여러 가지 요인에 의해 발생 될 수 있다.
조력의 일부인 조류발전은 조수간만의 차로 발생하며 이중방조제 발전방식은 조류를 이용한 발전방식이며 이러한 조류는 지역에 따라 유속의 차이를 보이고 있 다. 따라서, 유속이 빨라 발전효과가 기대 시 되는 울돌목(전남 해남군 화원반도(花源半島)와 진도(珍島) 사이에 있는 해협으로서, 임진왜란 때 이순신(李舜臣)이 왜적을 크게 쳐부순 곳. 가장 좁은 부분의 너비는 294 m이며 유속은 수심 평균 5.5m/s, 바다 표층은 최대 6.5m/s 에 달하는 곳을 뜻함)이나, 가로림만(조석간만의 차가 크고 조지 면적이 넓으며 만 입구가 좁은 최적의 입지조건을 갖춘 지역을 뜻함)등과 같이 유속의 흐름이 빠른 사업지가 각광을 받고 있는 현실이다.
그런데, 조력발전을 위하여 일반적으로 알려지거나 또는 제안된 인공방조제 또는 이중방조제는 조수 간만에서 발생하는 유속만을 이용할 뿐이어서 경제성 있는 발전효과는 기대하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전남 울돌목에 세계 최대 규모의 시험조류발전소가 건립되고 있으나, 울돌목을 이용한 조력발전은 효율적일 수 있으나, 울돌목의 조류 속도가 최대 11노트 이상에 달하고 따라서, 시험발전소 공사는 먼저 육상에서 발전용 구조물을 만든 뒤 해상으로 운반해 암반 위에 세우고 육지와 발전구조물을 연결하는 길이 90m의 잔교를 설치하는 방식으로 진행됨으로 공사비용이 과다하게 투입되고 장기간의 공사기간이 소요된다는 단점이 있다.
이에 울돌목이 아니더라도 인공적으로 유속의 흐름을 빠르게 만들 수 있다면 꼭 유속이 빠른 지역을 찾지 않더라도 통상적인 유속을 갖는 조수간만의 지역이라도 발전이 얼마든지 가능하기 때문에 유속의 흐름을 빠르게 하기 위한 인공적인 방조제의 제안이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명의 목적은, 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 인공방조제를 설치함에 있어서, 인공방조제를 조수가 출입하여 흐르는 방향에 대해 인공방조제의 길이방향을 따른 어느 한쪽이 조수가 출입하는 방향에 대해 일정한 각도로 경사지게 놓이도록 설치함으로써 조수에 의한 물길을 면적이 제한된 이중방조제 안으로 물길을 유도하게 되면 조수의 힘에 의해 단위 면적당 에너지밀도를 향상시켜 유속이 빨라지게 함으로써 꼭 유속이 빠른 지역을 찾지 않거나 또는 통상적인 유속을 갖는 조수간만의 지역이라도 경제성이 있는 발전이 얼마든지 효율적으로 가능하도록 한 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 조수의 급 유속을 유도하는 이중방조제에 있어서, 길이방향을 따른 양측 중 어느 일 측이 상기 조수가 출입하여 흐르는 물길 방향에 대해 일정한 각도로 경사지게 놓이도록 일 측에 제 1 개구를 갖고 물길의 지중으로부터 상기 물길의 수면보다 높도록 돌출된 형상으로 설치된 제 1 인공방조제와; 제 2 개구를 갖고 상기 제 1 방조제와 일정한 간격을 두고 상기 제 1 인공방조제와 동일한 각도로 경사지게 설치된 제 2 인공방조제와; 상기 제 1 및 제 2 인공방조제의 사이에 설치되어 상기 조수에 흐름에 의해 회전하는 다수의 회전축 및 상기 회전축에 설치된 발전터빈으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제 1 및 제 2 개구를 갖는 제 1 및 제 2 인공방조제는 일정한 간격을 두고 상기 조수가 출입하는 상기 물길 방향에 대해 직각방향으로 놓이도록 설치된 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 조수에 의한 물길을 면적이 제한된 제 1 및 제 2 개구로 한정된 제 1 및 제 2 인공방조제 안으로 물길을 유도하게 되면 조수의 힘에 의해 단위 면적당 에너지밀도를 향상시켜 유속이 빨라지므로 기존의 발전시간(약 6시간 전후)보다 약 3배가 증가된 복류식(양방향) 발전으로 약 18시간의 발전이 가능한 이점이 있고, 이중방조제를 통한 기존의 방조제 공사비보다 훨씬 저렴하게 공사 가능하며, 많은 물레방아 수차 터빈의 설치가 가능하여 기존보다 최대 4배까지 가능하고, 기본 방식처럼 수문을 닫는 것이 아니므로 인공 물길을 통해 생태계 활동이 보장되며 자연 생태계의 영향이 최소 될 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람 직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시예를 보인 평면도이다. 이 도면에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 따르면, 바다(100)의 조수가 출입하여 흐르는 물길(101)에 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)로 이루어진 이중방조제(10)를 설치하며, 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)는 양측 중 어느 일 측에 제 1 및 제 2 개구(3)(4)가 각각 마련되어 있다.
여기서, 상기 제 1 인공방조제(1)는 길이방향을 따른 양측 중 어느 일 측이 조수가 출입하여 흐르는 물길(101) 방향에 대해 일정한 각도로 경사지게 놓이도록 설치되는 것이 바람직한데, 도 1의 도면으로 보면 제 1 인공방조제(1)의 후단 쪽이 물길(101) 방향에 대하여 기울어져 있으며, 이와 같은 제 1 인공방조제(1)에 대해 제 2 방조제(2)는 제 1 인공방조제(1)와 일정한 간격을 두고 제 1 인공방조제(1)와 동일한 각도로 경사지게 설치되어 제 1 및 제 2 개구(3)(4)를 통해 조수를 출입시킨다.
본 발명에 따른 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)의 저면은 물길의 지중에 설치되어 지중으로부터 물길(101)의 수면보다 높도록 돌출된 형상으로 견고하게 설치하는 것으로서 조수의 유속 압력에 견딜 수 있도록 하고 있다.
이와 같은 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)로 이루어진 이중방조제(10)에는 조수의 유속에 의해 회전하는 발전터빈(110)을 다수 설치하는 것으로서 조력발전이 가능한데, 여기서 발전터빈(110)의 설치구조는 다양할 수 있으며, 바람직하게는, 본원발명자 중 한 발명자가 선출원한 2009년 특허출원 제42933호 조력발전장치에서 제안한 회전축 및 이에 설치된 발전터빈의 설치구조를 채택할 수 있다.
즉 상기 2009년 특허출원 제42933호의 발전터빈의 설치구조를 본 발명에 적용한다면, 물길(101)에 설치한 제 1 인공방조제(1) 및 제 2 인공방조제(2)에서 수직방향으로 각각 수직홈(61)을 설치하고, 상기 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2) 사이에서 흐르는 물길(101)에 부력에 의해 승, 하강하는 복수의 부구체(62)를 설치하며, 다수개의 발전터빈(110)을 갖고 복수의 부구체(62)에서 회전가능하게 설치되며 양단이 수직홈(61)으로 외출된 회전축(62)을 설치한다.
그리고, 회전축(62)의 양단에 각각 설치된 구동체인기어(63)와, 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)에서 회전가능하도록 설치된 회전체인기어(64)(64')와, 구동체인기어(63)와 회전체인기어(64)(64')를 폐루프상으로 연결하는 체인(65), 그리고, 회전축(62)에는 회전축의 회전에 의해 발전하는 발전기(66)를 설치한다면 조수에 의한 조력발전이 가능하게 된다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 제 2 실시예에 관한 것으로서, 여기서는 제 1 및 제 2 개구(3)(4)를 갖는 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)는 일정한 간격을 두고 조수가 출입하는 물길(101) 방향에 대해 직각방향으로 놓이도록 설치함으로써 본 발명에 따른 조력발전이 가능하며, 여기에서도 제 1 실시예에서 상술한 바와 같이 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)에 조수의 유속에 의해 회전하는 발전터빈(110)을 다수 설치하는 것으로서 조력발전이 가능하다.
이와 같이, 본원발명에 도시된 도 1 및 도 2에 따르면 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)를 조수가 출입하여 흐르는 물길(101) 방향에 대하여 어느 일 측이 기울어 지게 되어 있고 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)에는 각각 제 1 및 제 2 개구(3)(4)가 형성되는데, 이는 조수에 의한 물길을 면적이 제한된 이중방조제(10) 안으로 물길을 유도하게 되면 조수의 힘에 의해 단위 면적당 에너지밀도를 향상시켜 유속이 빨라지는 것이 당연하도록 한 구조이다.
이를 이론적으로 증명해 보면, 조류(해류)발전에서 얻을 수 있는 발전출력은 수차발전기의 효율과 해수를 통과하는 단면적에 비례하고 조류(해류)속도의 3제곱에 비례하므로 높은 유속은 발전출력과 정비례한다고 할 수 있다.
조류발전에 의한 발전 출력을 공식으로 나타내면, PW=0.5ηρAV3
여기서,
η: 수차터빈 효율
ρ: 해수밀도(kg/㎥)
A: 통과단면적(㎡)
V: 조류속도(m/sec)이다.
이를 통하여 발전출력(PW)은 통과단면적(A)에 비례하고 조류속도(V)의 3 제곱에 비례한다는 사실을 알 수 있다.
위 공식에서 나타난 해수밀도와 통과단면적은 조수의 압력에 의해 서로 반비례한다고 볼 수 있는데 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)로 이루어진 이중방조제(10) 의 제 1 및 제 2 개구(3)(4)를 통하는 인공 물길(101)을 조성하게 되면 해수의 통과 단면적이 제 1 및 제 2 개구(3)(4)로 인해 좁아지게 되나, 결과적으로 제 1 및 제 2 개구(3)(4)에 의해 해수밀도를 증가시켜 조류의 속도를 증가시킬 수 있는데 통과 단면적의 감소율보다 조류속도의 증가율이 발전출력에 3 제곱으로 비례하여 영향을 미친다는 사실을 공식을 통하여 확인할 수 있다.
이러한 연역적 가정은 해수밀도의 증가는 조류속도의 증가와 비례한다는 전제하에서 출발하고 있으며, 해수밀도의 증가는 조류압력의 상승에 의해 증가되므로 통과단면적이 감소되면 조류압력의 상승이 증가되어 해수밀도의 증가뿐 아니라 조류속도의 증가를 가져오게 되어 있는 것이다.
따라서, 통과단면적의 감소는 조류속도의 증가를 초래하여 유속이 빨라지게 되며 이러한 현상을 회전축(62) 설치된 발전터빈(110)을 빠르게 회전시켜 발전을 행할 수 있다. 즉 상술한 울돌목이라 불리는 이 지역에 현재 조류를 이용한 조류발전소 실증사업을 하고 있는 이유가 해수의 통과단면적이 감소되면 유속이 빨라지는 것의 상관관계를 확실하게 나타내 주는 현상이라 하겠다. 이에 조수 간만의 차에서 발생하는 조류압력은 통과해수면이 감소하게 되면 조류압력이 상승하여 해수밀도의 증가 및 조류속도를 증가시키게 되는 것이다.
즉, 조수가 바다(100)로부터 제 1 인공방조제(1)의 제 1 개구(3)를 통해 물길(101)로 유입되어 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2) 사이를 흐르면 부구체(62)는 바닷물의 부력에 의해 점차적으로 부상하게 되고, 따라서 발전터빈(110)은 지면으로부터 상승하며 조수의 흐름에 의해 회전축(62)은 회전하면서 제 1 및 제 2 인공 방조제(1)(2))에 수직방향으로 설치된 수직홈(61)을 따라 점차적으로 상승하게 된다.
이와 같이 바닷물이 유입되는 만조시간에는 발전터빈(110)의 회전에 따라 회전축(62)이 회전하고 따라서 회전축(62)의 양단에 설치된 구동체인기어(63)가 회전한다. 따라서 구동체인기어(63)와 회전체인기어(64)(64')에 페루프상으로 마련된 체인(65)이 회전하며, 결과적으로 발전기(66)는 전기를 생산하고 생산된 전기는 전선(도시치 않음)을 통해 육지에 마련된 축전기(도시치 않음)에 보내져 축전 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 제 1 및 제 2 인공방조제(1)(2)로 이루어진 이중방조제(10)를 활용한 인공 물길(101) 조성한 조력발전 방식은 통상의 조류속도만 확보된다면 얼마든지 발전 가능한 방식으로 한국을 에너지 강국으로 만들 수 있는 최선의 발전방식이라 하겠다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시예를 보인 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 제 2 실시예를 보인 평면도,
도 3은 본 발명에 적용된 회전축 및 발전터빈의 구조를 예시한 예시도이다.
- 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 -
1 : 제 1 인공방조제 2 : 제 2 인공방조제
10 : 이중방조제 3 : 제 1 개구
4 : 제 2 개구 61 : 수직홈
62 : 부구체 63 : 구동체인기어
64, 64': 회전체인기어 65 : 체인
66 : 발전기 110 : 발전터빈 101 : 물길

Claims (2)

  1. 조수의 급 유속을 유도하는 이중방조제에 있어서,
    길이방향을 따른 양측 중 어느 일 측이 상기 조수가 출입하여 흐르는 물길 방향에 대해 일정한 각도로 경사지게 놓이도록 일 측에 제 1 개구를 갖고 물길의 지중으로부터 상기 물길의 수면보다 높도록 돌출된 형상으로 설치된 제 1 인공방조제와;
    제 2 개구를 갖고 상기 제 1 방조제와 일정한 간격을 두고 상기 제 1 인공방조제와 동일한 각도로 경사지게 설치된 제 2 인공방조제와;
    상기 제 1 및 제 2 인공방조제의 사이에 설치되어 상기 조수에 흐름에 의해 회전하는 다수의 회전축 및 상기 회전축에 설치된 발전터빈으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 개구를 갖는 제 1 및 제 2 인공방조제는 일정한 간격을 두고 상기 조수가 출입하는 상기 물길 방향에 대해 직각방향으로 놓이도록 설치된 것을 특징으로 하는 조수의 급 유속을 유도하는 조력발전용 이중방조제.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102044637B1 (ko) 2018-09-19 2019-11-13 김상겸 가변 물레통을 이용한 유속 발전 장치

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