KR20120039920A

KR20120039920A - 파랑발전기

Info

Publication number: KR20120039920A
Application number: KR1020100101375A
Authority: KR
Inventors: 조창휘
Original assignee: 조창휘
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-04-26
Also published as: WO2012053769A2; US20130207398A1; KR101212768B1; WO2012053769A3; US9334848B2

Abstract

본 발명은, 파랑발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 간단하고 단순한 구조를 가지기 때문에 비용 대비 효율이 월등히 향상될 뿐만 아니라 에너지 변환효율이 높으며, 특히 장소를 불문하고 설치할 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 파랑발전기에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 원반형으로 제작되며, 내부에 물이 충전되는 부체; 상기 부체의 중심축에 일치되도록 상기 부체의 중심축에 설치되는 수차; 및 상기 부체와 연결되어 상기 부체의 부유 위치를 결정하는 계류 체인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

파랑발전기{GENERATOR USING WAVE ENERGY}

본 발명은, 파랑발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 간단하고 단순한 구조를 가지기 때문에 비용 대비 효율이 월등히 향상될 뿐만 아니라 에너지 변환효율이 높으며, 특히 장소를 불문하고 설치할 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 파랑발전기에 관한 것이다.

화석연료의 매장량이 고갈되어 가는 한편 산유국의 감산, 가격 인상 압력 등 에너지의 비용 상승과 에너지 소모로 인한 심각한 환경오염의 후유증이 우리의 장래를 어둡게 하고 있다.

그렇지만, 종래의 화석연료를 이용한 발전시스템 외에도 원자력, 조력, 수력, 풍력, 태양광, 바이오 등 다양한 에너지를 이용하는 발전시스템이 있다.

허나, 경제성이 높은 원자력은 핵 확산, 방사능 오염 등의 우려로 일부 국가에 한하여 개발되고 있다는 점에서, 수력 및 조력은 입지조건에 부합하는 대상지의 선택과 과다한 선투자 및 장기간의 건설기간이 소요된다는 점에서, 그리고 풍력, 태양광 및 바이오는 발전의 단속으로 저장이 문제가 되고 생산단가가 높다는 점에서 아직까지 걸림돌로 작용한다.

따라서 청정에너지를 이용한 새로운 발전시스템의 개발이 요구된다 할 수 있다.

미래 지향적인, 청정에너지를 이용한 새로운 발전시스템은 연료 소모형이 아니고 청정에너지를 활용하여 토지점용, 선투자, 건설기간, 운영비 등 전력 단위당 생산비가 기존의 상용 전력과 경쟁력을 갖춰야 한다. 또한 연간 가동률이 떨어져 고가의 저장 설비나 대체 발전이 필요치 않아야 한다.

한편, 물이 공기보다 질량이 커 운동에너지가 크기 때문에 해수의 운동에너지 즉 파랑에너지를 변환하여 발전하는 방식이 연구되고 있다.

특히, 대한민국은 삼면이 바다이고 해안선이 길어 해수가 갖고 있는 에너지 자원이 무궁무진하다. 연/근해의 파랑은 지역간, 계절에 따라 발생 빈도와 강, 약의 차이가 많으나 바람과 간만의 차이로 인한 낮은 파고의 파랑은 발생빈도가 높다.

따라서 파고가 낮고 파동주기, 파장이 불규칙하여 실용화하지 못하는 약점을 보완할 수만 있다면 무한한 에너지를 무상으로 확보할 수 있을 것이라 예상된다.

파랑을 에너지로 발전하는 방식에는 진동수주형, 가동물체형, 부체(raft) 변환 방식, 쇼울더 캠(shoulder cam) 방식, 에너지 증폭 집중형, 공기터빈 방식 등이 있다.

현재 빈번하게 적용 대상이 되는 진동수주형은 착저형의 대단위 구조물을 조성해야 되는 시간, 비용상의 비경제성과 공기터빈의 저효율, 공기압의 변화에 따른 발전 출력의 변동 등 여러 단점이 있으며, 부체 변환 방식에서 적용되는 유압식의 경우 유압 펌프의 스트로크가 적어 경제성이 낮은데다 안정성에 대한 우려로 관심 대상이 되지 못하고 있다. 양 방식 모두 일정 파고 이상에서만 발전이 가능하고 에너지 변환효율이 낮고 파랑의 이용 대역이 좁다는 결함이 상존한다.

그러나 부체는 질량운동으로 파랑의 에너지를 바로 변환할 수 있는 매개체로 가장 적합하여 변환 방식의 효율화로 가장 유망한 파력발전으로 발전시킬 가능성이 높으나 아직은 변환 방식의 저효율, 계절적 발전출력의 변동성, 이상 파고에 대한 안정성에 대한 불안감, 화석연료 발전과의 발전비용 격차 등 상존하는 문제의 해결을 위하여 지속적인 연구 개발이 요구된다.

다만, 파랑발전기가 다른 발전방식에 비해 우수하다고 하더라도 파랑발전기를 구축하기 위한 부체의 개수, 또는 그 연결 방식 등의 전반적인 구조가 복잡하다면 비용 대비 효율이 떨어질 수 있으므로 간단하고도 단순한 구조를 가지면서도 에너지 변환효율이 높아 장소를 불문하고 설치할 수 있는 새로운 타입의 파랑발전기가 요구된다.

본 발명의 목적은, 간단하고 단순한 구조를 가지기 때문에 비용 대비 효율이 월등히 향상될 뿐만 아니라 에너지 변환효율이 높으며, 특히 장소를 불문하고 설치할 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 파랑발전기를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 원반형으로 제작되며, 내부에 물이 충전되는 부체; 상기 부체의 중심축에 일치되도록 상기 부체의 중심축에 설치되는 수차; 및 상기 부체와 연결되어 상기 부체의 부유 위치를 결정하는 계류 체인을 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 수차는 크로스 플로(cross flow)형의 일방향 회전수차일 수 있다.

상기 일방향 회전수차에 마련되는 블레이드는 상기 일방향 회전수차의 중심 회전축에 대하여 미리 결정된 각도만큼 편각되게 마련되는 만곡된 형태를 가질 수 있다.

상기 물의 흐름이 상기 부체의 중심부로 유도되도록 상기 수차의 중심 회전축을 기준으로 원주 방향을 따라 다수의 칸으로 구획되게 배치되는 다수의 격벽을 더 포함할 수 있다.

상기 다수의 격벽에 의해 상부는 폐쇄되고 하부가 개방된 공기통이 형성될 수 있다.

상기 부체의 폭 및/또는 직경은 설계 파장의 1/2이고, 상기 부체의 높이는 설계 파고의 2배일 수 있다.

본 발명에 따르면, 간단하고 단순한 구조를 가지기 때문에 비용 대비 효율이 월등히 향상될 뿐만 아니라 에너지 변환효율이 높으며, 특히 장소를 불문하고 설치할 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 원리를 설명하기 위한 예시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기에서 부체의 평면 구조도,
도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도,
도 4는 일방향 회전수차 영역의 상세 구조도,
도 5는 블레이드의 편각과 그에 따른 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 원리를 설명하기 위한 예시도이다.

이 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 파랑발전기의 원리를 간략하게 설명한다. 예컨대, 길이가 긴 일정한 용기(1a)의 내부에 용기(1a) 높이의 1/2 정도 물(1b)을 채우고, 수평일 때(a)를 기준으로 좌측(b) 혹은 우측(c)으로 기울여보면 용기(1a) 내에 채워진 물(1b)은 용기(1a)의 경사에 따라 낮은 쪽으로 이동한다. 물론, 물(1b)이 이동된 후에 물(1b)의 수면(1c)은 늘 수평을 유지한다.

용기(1a)의 기울기 방향을 좌측(b)에서 우측(c), 혹은 우측(c)에서 좌측(b)으로 바꾸면 물(1b)의 이동이 바뀌고 양단의 수위는 경사 방향을 따라 변동되지만 용기(1a)의 중앙위치(1d)에서는 그 수위가 변하지 않고 늘 정수위를 유지한다.

이러한 점을 미루어볼 때, 용기(1a)의 경사에 따라 물(1b)이 중앙위치(1d)인 중립점을 경계로 양단으로 이동하는 결과를 보인다.

이러한 도 1의 원리를 응용하여 아래에서 설명하는 것처럼 부체(10)의 내부에 부체(10) 높이의 1/2 정도 물(1b)로 채우고 부체(10)의 중심축(C)에 예컨대, 일방향 회전수차(20)를 설치하면, 부체(10)의 경사운동에 따른 물(1b)의 유동(흐름)이 회전에너지로 변환된다.

이러한 회전에너지를 증속기(30)를 거쳐 발전기(40)를 구동시킴으로써 에너지를 얻을 수 있다.

그러면, 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기에서 부체(10)의 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다. 아래의 설명에서 도 1과 관련된 참조부호는 동일하게 부여한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기에서 부체의 평면 구조도, 도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도, 도 4는 일방향 회전수차 영역의 상세 구조도, 그리고 도 5는 블레이드의 편각과 그에 따른 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 파랑발전기는, 원반형으로 제작되며 내부에 물(1b)이 충전되는 부체(10)와, 부체(10)의 중심축(C)에 일치되도록 부체(10)의 중심축(C)에 설치되는 수차(20)와, 부체(10)와 연결되어 부체(10)의 부유 위치를 결정하는 계류 체인(50)을 포함한다.

부체(10)는 본 실시예의 파랑발전기가 설치되는 해수면에 띄워지는 물체이다. 일정한 부피의 통 구조를 가질 수 있으며, 상대적으로 질량이 작거나 가벼운 재질로 제작될 수 있다.

한편, 파도의 진행 방향은 늘 일정한 것이 아니라 360도 전 각도에서 다소 불규칙적으로 발생되는 것이 보편적이며, 이에 대응되게 부체(10)가 해수면을 따라 유동하기 때문에 부체(10)는 파도의 전 방향 입사에 대응하여 파력에너지를 변환할 수 있는 구조를 가져야 한다. 그래야만 발전 효율이 높아진다.

이를 위해, 본 실시예의 부체(10)는 일반적인 사각통 혹은 사각의 블록 구조가 아닌 원반형으로 제작된다.

본 실시예처럼 부체(10)가 원반형으로 제작되면 파도의 전 방향 입사에 적응적으로 대응하면서 에너지를 변환시킬 수 있기 때문에 발전 출력을 위한 에너지 효율면에서 상당히 유리하다.

부체(10)의 내부에는 대략 1/2 정도의 물(1b)이 채워진다. 참고로, 부체(10)의 폭 및/또는 직경(d, 도 2 참조)은 경사운동을 효과적으로 활용하기 위하여 설계 파장의 1/2 정도가 최적이며, 부체(10)의 높이(h, 도 3 참조)는 설계 파고의 2배로 정할 수 있다. 하지만, 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한될 필요는 없다.

수차(20)는 파도에 의해 유동(이동)되는 부체(10)의 중심부에 설치된다. 본 실시예에서 수차(20)는 효율이 높은 크로스 플로(cross flow)형의 일방향 회전수차(20)로 적용된다. 물론, 크로스 플로(cross flow)형 외의 다른 수차가 적용되어도 무방하다.

이러한 일방향 회전수차(20)는 그 중심 회전축(20a)이 부체(10)의 중심축(C)과 일치되도록 부체(10)의 중심부에 설치된다.

이처럼 일방향 회전수차(20)가 부체(10)의 중심부에 설치되면, 도 1에서 설명한 것처럼 부체(10)가 좌로 혹은 우로 경사운동되는 것에 기초하여 부체(10) 내의 물(1b)의 유동(흐름)이 일방향 회전수차(20)로 전해져 일방향 회전수차(20)를 회전시키게 됨으로써 회전에너지의 발생이 유도될 수 있다. 이러한 회전에너지는 증속기(30)를 거쳐 발전기(40)를 구동시킴으로써 에너지(전기)를 제공한다.

따라서 일방향 회전수차(20)에 마련되는 블레이드(21)는 그 각도가 고려되어 설계되는 것이 바람직하다. 즉 물(1b)의 이동에 의해 보다 원활하게 회전될 수 있는 구조와 각도로 설계되는 것이 바람직하다.

블레이드(21)의 편각과 그에 따른 작용에 대해 도 5를 참조하여 설명한다. 물(1b)의 흐름이 격벽(22)으로 4 분할되어 입사될 때 임의 입사각에 효과적으로 회전분력(B)이 발생하도록 블레이드(21)를 일방향 회전수차(20)의 중심 회전축(20a)에 대하여 편각(C)시키되 블레이드(21)의 회전 효율과 블레이드(21)의 강성을 높이기 위해 단면 형태는 만곡된 형태를 갖는 것이 바람직하다.

다시 말해, 본 실시예에서 일방향 회전수차(20)에 마련되는 블레이드(21)는 원주방향을 따라 등각도 간격을 가지고 만곡된 즉, 아크(arc) 형상을 갖는다. 특히, 물이 직접 닿는 면이 오목하도록 배치됨으로써 일방향 회전수차(20)의 회전력이 보다 향상되도록 하고 있다.

한편, 일방향 회전수차(20)의 회전효율을 올리기 위해서는 블레이드(21)의 각도를 조절하는 것도 하나의 대안이지만, 이 외에도 물(1b)의 흐름을 일방향 회전수차(20)가 설치된 부체(10)의 중심부로 유도하는 것도 상당히 중요하다.

물(1b)의 흐름이 일방향 회전수차(20)가 설치된 부체(10)의 중심부로 유도되면 일방향 회전수차(20)의 회전효율이 높아지기 때문에 결과적으로 발전 출력의 향상을 기대할 수 있다.

본 실시예의 경우에는 부체(10)의 경사운동에 따라 발생되는 물(1b)의 흐름이 일방향 회전수차(20)가 설치된 부체(10)의 중심부로 유도될 수 있도록, 일방향 회전수차(20)의 중심 회전축(20a)을 기준으로 원주 방향을 따라 다수의 칸, 예컨대 4칸으로 구획된 격벽(22)을 설치하고 있다.

격벽(22)들로 인해 물(1b)의 흐름이 일방향 회전수차(20)가 설치된 부체(10)의 중심부로 유도된다.

이러한 격벽(22)은 특히, 잉여 부력과 해수면과의 흡착력을 갖도록 상부는 폐쇄되고 하부는 개방된 공기통(23)을 형성하게 됨으로써 부체(10)의 전도가 방지되면서 부체(10)의 자세가 안정화를 꾀한다. 이러한 역할을 담당하는 격벽(22)은 구조적으로 부체(10)의 강성을 높이는 역할도 겸한다.

이때, 공기통(23)은 전체 면적의 30% 이하인 것이 유리하며, 공기압축기로 압력변화의 조절이 가능할 수도 있다.

이러한 구조적인 특징을 갖는 본 실시예의 파랑발전기는 부체(10) 내의 물(1b)의 유동에너지를 일방향 회전수차(20)의 회전에너지로 변환시키는 방식을 가지기 때문에, 인접 부체(미도시)들 간의 반력을 이용하는 기존의 타입에 비해 단일 부체(10)만으로도 에너지 변환이 가능하며, 계류 체인(50)만으로 자유롭게 부유 회전하면서 에너지 변환이 가능하다는 장점이 있다.

특히, 본 실시예의 파랑발전기는 공기보다 대략 800배 이상 크다고 알려지고 있는 물(1d)의 에너지를 일방향 회전수차(20)의 회전에너지로 변환시켜 발전하는 방식을 가지기 때문에 에너지 변환 효율이 높으며, 더더욱 부체(10)의 평면 형태를 원형에 가깝도록 하여 360도 전 방향에서 진행하여 오는 불규칙한 파도에 적절하게 반응하여 에너지 변환이 가능해진다.

본 발명은 파력 발전 방식 중에서 가장 구조가 간단하며, 웨이트(60)가 달릴 수 있는 계류 체인(50) 하나로 부유 위치 지정이 가능하여 안정성이 뛰어나다.

또한 청정에너지 발전 중에도 토지 점용의 우려가 없고 대규모 고정 투자를 유발하지도 않아 산업화가 가능하다. 더욱 제작비가 저렴하고 일방향 회전수차(20)의 개량만으로 가장 경제성이 높은 청정 발전이 될 수 있다.

계절적 발전 출력의 변동성이 결점이나 풍력이나 태양광도 비슷한 결함을 갖고 있으며 기존 발전시스템을 보조로 활용하면 된다.

참고로, 우리 한국은 화석연료의 부존자원도 없고 에너지 공급을 육지로부터 공급받아야 하는 연안 도서가 많아 내수 산업으로도 충분한 시장 환경이 조성되어 있으며, 도서가 많고 파력에너지 자원이 많은 저개발 국가를 상대한 수출산업으로도 유망하므로 개발의 당위성은 충분하다. 그 외에도 독립된 무인 해양 관측기지나 항로 표시 등과 같은 목적에도 축소하여 본 발명을 이용할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 간단하고 단순한 구조를 가지기 때문에 비용 대비 효율이 월등히 향상될 뿐만 아니라 에너지 변환효율이 높으며, 특히 장소를 불문하고 설치할 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있게 된다.

실질적인 실험 수치를 통해 실 발전출력을 다음의 수식을 통해 예상해보면 다음과 같다.

- 수식 -

위 수식에서 에너지는 유량의 크기 및 유속에 영향이 크다. 또한 유속은 구거의 경사도, 단면 형태, 접수부위의 윤활성 여부에 의존될 수 있다.

파 주기 6 sec, 파고 1.5 m, 파장 30 mm, 파력에너지 7 kw/m 일 때,

- 부체 규격 (파장의 1/2인 15m 폭을 기준 원형으로 선택하였음) -

부체 크기 ; D15M X H3m

바닥 면적 ; 15 X 15 X 3.14/4 = 176.62 ㎡

담수량 ; 176.62 X 1.5 = 264.93 ㎥, 이때, 30%의 용적은 부력으로 사용

중심통과 유량 ; 264.93 X 0.7 X 1/2 = 92.7 ㎥ (파 주기간 유량)

- 예상 출력 -

파력에 의한 부체 내의 실제 순간 통과 유속은 파고에 의한 부체의 경사도에 따라 일단부에서 타단부로 파 주기 간 이동하는 유량변화량 속도보다 더 클 수 있겠으나 편의상 경사에 따른 순간 유속 변화는 고려하지 않았다.

수차의 통수단면 ; 직경 2m X 높이 1.5 m = 3㎡

유량 ; 92.7/6(sec) = 15.45 ㎥/sec

유속 ; 15.45/3 = 5.15 m/sec

유동에너지 ; 0.5 X 1 X 15.45 X 5.15² = 204.88(kw)

수차, 증속기, 발전기 효율 등을 감안할 때,

실 발전출력(예상) ; 204.88 X 0.6 X 0.9 X 0.9 = 99.57 kw, 즉 대략 100 kw 수준인 것으로 나타났다. 이는 실제 연근해 파력(7 kw/m X 15 m)을 감안하여 적절한 수준인 것으로 파악된다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 부체 20 : 일방향 회전수차
21 : 블레이드 22 : 격벽
23 : 공기통 30 : 증속기
40 : 발전기 50 : 계류 체인
60 : 웨이트

Claims

원반형으로 제작되며, 내부에 물이 충전되는 부체;
상기 부체의 중심축에 일치되도록 상기 부체의 중심축에 설치되는 수차; 및
상기 부체와 연결되어 상기 부체의 부유 위치를 결정하는 계류 체인을 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
제1항에 있어서,
상기 수차는 크로스 플로(cross flow)형의 일방향 회전수차인 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
제2항에 있어서,
상기 일방향 회전수차에 마련되는 블레이드는 상기 일방향 회전수차의 중심 회전축에 대하여 미리 결정된 각도만큼 편각되게 마련되는 만곡된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
제1항에 있어서,
상기 물의 흐름이 상기 부체의 중심부로 유도되도록 상기 수차의 중심 회전축을 기준으로 원주 방향을 따라 다수의 칸으로 구획되게 배치되는 다수의 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
제4항에 있어서,
상기 다수의 격벽에 의해 상부는 폐쇄되고 하부가 개방된 공기통이 형성되는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
제1항에 있어서,
상기 부체의 폭 및/또는 직경은 설계 파장의 1/2이고, 상기 부체의 높이는 설계 파고의 2배인 것을 특징으로 하는 파랑발전기.