KR20110107887A - 수직형 수차를 이용한 수중 조류발전설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중에서 유속에너지를 흡수하여 발전하는 수차를 이용한 조류발전설비에 관한 것으로, 유속과 설치지역 조건에 따라 발전효율을 높이고 해협을 통과하는 유속을 발전용수로 최대한 활용하기 위하여, 유속이 빠른 해협에 초저속에서도 변환효율이 매우 높은 수차를 이용한 조류발전설비를 부분적으로 설치하거나 유속을 가로질러 집중 배치하여 유속에너지를 이용하여 발전하는 것으로, 통과유속을 발전용수로 얼마나 활용하느냐에 따라 전기를 대량 생산할 수 있고, 공사공법에 따라 공사기간을 단축할 수 있으며, 공사기간 외에는 CO₂배출이 전혀 없고, 조석간만을 100% 유지할 수 있으므로 환경변화에 대한 영향을 전혀 주지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

수직형 수차를 이용한 수중 조류발전설비{generating apparatus with the vertical water turbines in water flow}

본 발명은 수차를 이용한 복류식 조류발전설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유속이 빠른 해협에서 조류발전설비 구조물을 해저에 설치하고 초저낙차에서도 변환효율이 높은 수직형 수차를 이용하여 조류의 흐름에 따라 복류식으로 발전하는 조류발전설비에 관한 것이다.

달과 해의 인력에 의해 형성되는 조류는 간만차가 크지 않더라도 지구의 자전과 달의 공전에 따라 해수면이 높아지는 해역과 낮아지는 해역이 인력의 영향권에서 벗어나면 바닷물이 다시 해수면이 낮은 곳으로 흐르는 경향이 있으므로 하루 2회의 간만 중에서도 만조 수위와 간조 수위 차가 각각 1m 이상 벌어질 때가 있고, 주기적으로 간만이 교체할 때마다 조류의 방향이 바뀌며, 해협이 좁고 간만차가 큰 해역일수록 유속이 빨라지는데 조석간만 수위에 따라서 유속의 변동이 크다.

이러한 현상은 주로 넓은 면적으로 형성된 만의 좁은 입구와 다도해와 같은 육지와 섬, 섬과 섬 사이의 좁은 해협에서 확인할 수 있는데 인력에 의해서 양쪽 바다 사이에서 형성되는 조류의 유속은 전 세계적으로도 조류발전에 적합한 3m/sec 이상의 유속을 유지하는 곳이 드물다.

우리나라 해양조사팀에 의해 조력발전과 조류발전이 적합한 해역에 대한 조사를 이미 마쳐 해류지도를 완성하기에 이르렀고, 우리나라 해안에서 조류발전으로 백만kwh의 전기를 생산할 수 있을 것으로 추정하고 있으며, 해양연구원에 의해서 전남 진도의 울돌목에서 시험발전 중에 있고, 몇몇 기업에서도 이곳에 90,000kw/h까지 발전할 수 있는 조류발전소 건설을 계획하고 있다.

유속이 3m/sec 이하인 해협에서 유속을 가로질러 집중적으로 발전할 수 있으려면 저속에서도 변환효율이 높은 동력변환장치를 일렬로 배치하여 발전하는데 여기에 물주머니수차, 또는 날개접이식 수차 등 수직형 수차가 적합하다.

입수구에서 날개 사이에 위치한 물주머니에 들어있는 유체를 배수구에 도달한 다른 물주머니로 밀어내어 비워진 공간에 물을 채워 배수구로 이동시키는 물주머니 수차나, 입수구에서 실린 물을 배수구에서 날개를 접어 밀어내고 접힌 상태로 입수구로 돌아오도록 하는 날개접이식 수차는 정지 상태에서는 물이 거의 통과할 수 없으므로 초저낙차에서도 변환효율이 대단히 높아 유속이 너무 느려 터빈이나 프로펠러와 같은 동력변환장치로는 발전할 수 없는 해협을 가로질러 조류발전소를 설치할 경우 댐을 막지 않고도 상당한 발전량을 확보할 수 있을 것이다.

물론 조류발전소를 부분적으로 설치하여 유속을 가감 없이 이용하여 발전할 수도 있지만, 수차를 통과하지 않고는 물이 흐를 수 없도록 해협을 가로질러 발전설비를 구축하고 수차의 상하 공간을 차단하며 입수구와 배수구 사이의 간격을 최대한 넓혀 수차를 사이에 두고 낙차가 형성되도록 하면 발전효율을 높일 수 있다.

[문헌 1] KR 10-2006-0015470. 2006. 2. 17. 1쪽, 4-6쪽, 도면 1-2. [문헌 2] KR 10-2009-0088795. 2009. 9. 20. 1쪽, 12-13쪽, 도면 1-6. [문헌 3] KR 10-2009-0088792. 2009. 9. 20. 14-15쪽, 도면 1-5. [문헌 4] KR 10-2009-0088809. 2009. 9. 21. 14-16쪽, 도면 1-3

[문헌 5] Tidal power. Daum 백과사전(검색 2008. 11.25) [문헌 6] 수력발전. Daum 백과사전(검색 2008. 11. 25.)

그러므로 조류발전소를 해협을 가로질러 설치하여 물길을 최대한 차단하여 발전효율을 높이고, 해협을 통과하는 모든 유속을 발전용수로 활용할 수 있도록 초저낙차에서도 변환효율이 높은 수차를 이용한 수중조류발전소를 개발하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 유속이 빠른 해협에 조류발전구조물을 부분적으로 설치하거나, 해협을 가로질러 설치하고 복수의 수직형 수차를 다단계로 설치하여 집중적으로 발전한다.

수차(14) 사이마다 해저에 기둥을 타설하거나 타설한 파일(32)에 고정한 3개의 기둥(32b)을 중도리(94)와 하도리(94a) 및 보강대로 연결하여 보강하고, 상기 가운데 기둥(32b)에 부착한 구동부 지지대(45a)에 수심에 따라 높이를 맞춤으로 제작한 물주머니 수차, 날개접이식 수차 중 하나를 구조물에 베어링으로 결합하며, 수차집(115)을 상기 수차를 중심으로 양쪽에 대칭으로 부착하고, 수면에 노출되는 중도리에 관리통로와 크레인 궤도 및 크레인과 상판을 설치한다.

수중관리를 최소화할 수 있도록 설치장소의 수심에 따라 일정한 규격으로 제작한 상기 수차의 구동부를 구동부지지대(45a)에 결합한 복수의 수차틀(116)을 상기 가운데 H빔 기둥(32b)의 수차 홈(123)에 수면까지 수직 다단계로 설치하고, 상기 상하 수차 사이마다 메인샤프트의 동력을 조인트(117)로 연결하며, 물 위에서 발전기와 연결한다.

수심이 깊고 물살이 빨라 중도리와 수차집 등의 수중 설치작업이 어려울 때는 지상에서 제작한 교각(95)을 수중공사공법으로 설치하고, 발전기의 설치 높이가 일정하지 않을 때는 해저에 구동부지지대와 같은 규격의 가로대를 추가하여 수차의 설치높이를 조절하고 물이 밑으로 통과하는 것도 차단한다.

통선문(141)을 설치하는 경우 상기 통선문의 양쪽 보호벽(151)을 길게 연장하여 선박의 안전한 운행을 보장하고 큰 낙차를 확보하며, 발전소를 설치할 수 없는 얕은 해안은 방조제로 막아 조류를 상기 조류발전소로 유도하여 통과수량을 증가시킨다.

해협을 통과하는 조류를 이용하여 복류식으로 발전할 수 있으므로 조류가 얼마나 통과할 수 있느냐에 따라서 다량의 전력을 생산할 수 있고, 한두 곳에 집중 배치함으로써 수중조류발전기를 지그재그로 설치할 때보다 더 많은 전력을 생산할 수 있고 관리가 용이하다.

파일을 타설하거나, 교각을 세우는 공사 등 대부분의 작업을 바지선이나 교각 상단에서 진행되므로 공사기간을 단축할 수 있고 물 위에서 관리가 이루어지며 조석간만이 100% 유지되므로 환경변화가 전혀 없다.

제1도는 수차틀을 H형강 기둥에 끼워 조립한 조류발전소 평면도
제2도는 3개의 기둥 사이를 보강한 조류발전소 측면도
제3도는 2종의 수차를 2단계로 설치한 조류발전소 입면도
제4도는 수차틀을 2단계로 설치한 조류발전소 종단면면도
제5도는 발전소구조물을 교각으로 설치한 조류발전소 평면도
제6도는 조류발전소와 통선문 배치도

이하 도면을 참조하여 수차를 이용한 조류발전설비에 대하여 설명한다.

도 1은 유속이 빠른 해협의 일부에 설치하거나 해협을 가로질러 집중적으로 발전하고자할 때 수차 사이마다 중도리(94)와 보강대 및 수차집(115) 등을 지상에서 조립한 3개의 기둥(32b)을 해저에 타설한 파일에 연결하거나 직접 해저에 타설한 기둥(32b)에 도 2와 같이 조립하고, 도 3 및 도 4와 같이 초저낙차에서도 변환효율이 높은 물주머니 수차, 날개접이식 수차 중 하나 또는 2종을 수심에 따라서 맞춤으로 제작하거나 일정한 규격으로 제작하여 구동부를 고정한 수차틀(116)을 다단계로 수차 홈(123)에 끼워 수면까지 올라오도록 조립하고 발전기(29)를 물 위에 위치하도록 연결한다.

상기 수차의 설치높이를 일정하게 유지하고 상기 수차 상단이나 하단으로 물이 흐르는 것을 차단할 수 있도록 바닥기초로 높이를 조절하고, 수면에 노출되는 상단에 관리통로와 크레인 및 상기 크레인과 함께 이동하면서 수차를 운반·설치하거나 수리하는 상판을 설치하여 관리를 용이하게 한다.

유속이 빨라서 기둥이 안전하지 못할 때는 지상에서 제작한 교각(95)을 미리 박은 파일(32)에 끼워 암석지반까지 도달시켜 고정하는 수중교각공사공법으로 설치하고 역시 지상에서 제작한 발전소 상판을 교각(95) 위에 조립한 후에 잔여공사를 마무리한다.

통선문을 설치하는 경우 상기 통선문(141)의 양쪽 보호벽(151)을 길게 연장하여 선박이 안전하게 항해할 수 있도록 하고, 가급적 대부분의 조류를 조류발전소(17)로 유도하여 통과수량을 증가시킨다.

14; 나선형날개 수차 14a; 날개접이식 수차 17; 조류발전소
25; 날개 25c; 나선형 날개 27; 메인샤프트
27a; 발전기 샤프트 29; 발전기 32; 파일
32a; 파일폴더 32b; 기둥 35; 베어링
80; 물흐르는 방향 94; 중도리 94a; 하도리
95; 교각 113; 해저 114; 밴드
115; 수차집 116; 수차틀 116a; 수직 수차틀
117; 조인트 123 수차홈 141; 통선문
151; 보호벽

Claims (4)

1. 상기 수차(14) 사이마다 해저에 타설한 파일(32)에 고정한 3개의 기둥(32b)과,
   상기 기둥을 상단과 하단에서 연결한 중도리(94)와 하도리(94a) 및 보강대와,
   상기 가운데 기둥(32b)에 부착한 수차 구동부 지지대(45a)와,
   상기 수차를 중심으로 양쪽에 대칭으로 부착한 수차집(115)과,
   상기 기둥 사이에 수직으로 설치되는 복수의 물주머니 수차, 날개접이식 수차 중 하나와,
   수면에 노출되는 상기 중도리에 설치하는 관리통로 및 크레인 궤도와,
   상기 궤도를 따라 이동하는 크레인과 상판으로 구성된 수차형 조류발전소구조물.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가운데 H빔 기둥(32b)의 수차 홈(123)을 이용하는 수차 구조물과,
   수심에 따라 맞춤으로 제작하거나 일정한 규격으로 제작한 수차의 구동부를 고정한 수차틀(116)과,
   설치장소의 수심에 따라 복수의 상기 수차틀을 수면까지 상기 수차홈(123)에 끼워 수직으로 설치하는 다단계 수차와,
   상기 상하 수차 사이마다 동력을 연결하는 조인트(117)와,
   수차 밑에 설치하는 바닥기초와,
   물 위에서 상기 수차에 결속하는 발전기(29)로 구성된 수차형 조류발전소구조물.
3. 청구항 1에 있어서,
   기둥을 설치하는 대신 지상에서 제작한 교각(95)을 수중공사공법으로 설치하고, 해저에서 교각 사이에 수차기초(하도리)를 설치하여 수차의 설치높이를 조절하고 물이 밑으로 통과하는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 수차형 조류발전소구조물.
4. 통선문(141)의 양쪽 보호벽(151)을 길게 연장하여 선박의 안전한 운행을 보장하고, 조류를 상기 조류발전소(17)로 유도하는 것을 특징으로 하는 수차형 조류발전소구조물.

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