KR20120075251A

KR20120075251A - 조류발전시스템

Info

Publication number: KR20120075251A
Application number: KR1020100137313A
Authority: KR
Inventors: 이종현; 이재익
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-06

Abstract

본 발명은 해저면에 설치된 조류발전기; 및 상기 조류발전기의 전방에 해저면을 따라 흐르는 해수의 흐름 방향을 상향 조정하도록 소정 높이로 설치된 벽체; 를 포함하는 조류발전시스템에 관한 것이다.

Description

조류발전시스템{System for generation of electric power from tidal currents}

본 발명은 조류발전시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 조류발전기의 개량 없이 주변의 지형을 이용하여 발전효율을 증가시킬 수 있도록 하는 조류발전시스템에 관한 것이다.

일반적인 발전방법으로 수력발전, 화력발전, 원자력발전 등을 들 수 있는데, 이러한 발전방법들은 대규모의 발전설비가 필요하고, 화력발전의 경우 발전설비를 가동시키기 위해 엄청난 양의 석유 또는 석탄에너지가 필수적으로 공급되어야 하므로 석유, 석탄자원이 고갈되고 있는 현 시점에서는 많은 어려움이 예견되고 있으며 발전과정에서 발생되는 공해 또한 큰 문제가 되고 있다.

또한, 원자력발전의 경우는 방사능 유출과 핵폐기물 처리 등의 심각한 문제점을 안고 있다.

따라서 이러한 일반적인 발전방법보다 저렴하면서도 안전하고 획기적인 발전방법이 요구되고 있다.

위와 같이 석유나 석탄자원이 필요 없고 방사능이나 핵폐기물 문제가 없는 발전방법으로는 태양열발전, 파력발전, 조력발전, 조류발전, 풍력발전 등이 있다.

이 중 조력발전은 조수간만의 차이에 따라 조수가 수평이동하는 힘을 이용한 것이고, 조류발전은 물살이 빠른 곳에 설치하여 빠른 해수의 흐름을 이용한 것으로 해수의 유입방향에 수차를 설치하여 수차가 해수의 흐름에 의해 회전되면 그 회전력에 의해 발전기를 구동하여 이로부터 전력을 생산하는 것으로서, 둘 다 해수의 흐름을 이용한다는 점에서 공통점을 갖는다.

이 같은 조력발전 또는 조류발전에 있어서 해저면을 따라 흐르는 해수는 해저면과의 마찰로 인해 유체 속도의 손실이 발생하게 되고 이로 인해 해저면에 설치된 조류발전기의 블레이드에 해수 접촉시 위아래로 접촉되는 해수의 흐르는 속도가 상이해지므로 발전효율이 저하되는 문제점이 있었다. 그러나 종래에는 조류발전기의 블레이드 형상이나 발전장치를 개량하여 발전효율을 높이려는 시도만 있었을 뿐이었다.

본 발명의 일 목적은, 조류발전기의 개량 없이 주변의 지형을 이용하여 조류발전기의 블레이드에 유입되는 유속을 일정하게 만들어 블레이드에 가해지는 힘의 불균형을 제거함으로써 발전효율을 증가시킬 수 있는 조류발전시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면은, 해저면에 설치된 조류발전기; 및 상기 조류발전기의 전방에 해저면을 따라 흐르는 해수의 흐름 방향을 상향 조정하도록 소정 높이로 설치된 벽체; 를 포함하는 조류발전시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 벽체는 전방면이 해저면으로부터 상기 조류발전기 측으로 상향 경사부를 갖도록 형성될 수 있다.

이때, 상기 경사부는 평면이거나 곡면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 벽체는 상단이 블레이드의 하단과 대응되는 높이로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 벽체는 상기 조류발전기의 둘레를 둘러싸도록 설치될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 조류발전기는, 타워; 상기 타워 상단에 좌우로 회동 가능하게 설치된 나셀; 상기 나셀 일단에 회전 가능하게 설치된 하나 이상의 블레이드; 및 상기 나셀 타단에 상기 블레이드를 해수의 흐름 방향으로 위치시키기 위해 설치된 방향날개; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 벽체의 전방면이 해저면으로부터 상기 조류발전기 측으로 상향 경사부를 갖도록 형성되고, 상기 조류발전기의 블레이드가 상기 벽체의 경사부에 대향되도록 하측으로 경사지게 설치될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 조류발전시스템의 경우, 조류발전기의 해수의 흐름 방향에 언덕 형태로 된 벽체 구조물을 설치하여 해저면을 따라 흐르는 해수의 흐름 방향을 상향 조정하여, 해저면에 의한 유체의 흐름 손실을 막고, 조류발전기의 블레이드에 접촉되는 해수의 위아래 유량과 속도를 균일하게 빠르게 만들어 블레이드에 가해지는 힘의 불균형을 제거함으로써 조류발전기의 개량 없이도 조력발전효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조류발전시스템의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 조류발전시스템의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 조류발전시스템의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 조류발전시스템의 측단면도이다.
도 5는 도 4의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 조류발전시스템의 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 조류발전시스템 중 조류발전기의 발전구조를 개략적으로 나타낸 구조도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1을 참조하면, 본 일 실시 형태에 따른 조류발전시스템은, 해저면(S)에 수직방향으로 설치된 조류발전기(20)와, 조류발전기(20)의 전방(해수의 흐름 방향)에 해저면(S)을 따라 흐르는 해수의 흐름 방향을 상향 전환하도록 설치된 소정 높이의 벽체(10)를 포함한다.

조류발전기(20)는 해저면(S) 위에 수직으로 고정 설치된 타워(21)와, 타워(21) 상단에 타워(21)를 축으로 좌우 360˚ 회동 가능하게 설치되며 내측에 수평방향으로 회전축(23)이 삽입된 나셀(22)과, 회전축(23)의 선단에 설치되며 해수의 흐름에 의해 회전되어 전력을 발생시키는 복수의 날개를 갖는 블레이드(40)와, 나셀(22)의 후부에 블레이드(40)를 해수의 흐름 방향으로 위치시키기 위해 나셀(22)을 회전시키는 방향날개(24)를 포함한다. 이때 나셀(22)에는 와이어(25)로 연결되어 해수면에 부상되는 부이(26)가 설치될 수도 있다.

또한, 본 실시 형태에서는 타워(21)에 하나의 블레이드(40)가 설치된 구조를 나타내고 있으나, 실시 형태에 따라 타워(21) 하나에 복수의 블레이드(40)를 설치할 수도 있다.

예컨대, 타워(21) 상단에 바(bar) 형상의 지지부재(미도시)를 설치하고, 이 지지부재 양단에 나셀(22)을 각각 설치한 후 각 나셀(22)에 블레이드(40) 및 방향날개(24) 등을 설치하여 1개의 발전기로 2배의 전력을 생산할 수 있다. 이때 나셀(22)은 지지부재의 양단에 고정 설치되고, 이 지지부재를 타워(21)를 축으로 360˚ 회동 가능하게 설치하면 될 것이다.

도 7을 참조하면, 이러한 조류발전기(20)는 회전축 내부에 블레이드(40)의 회전으로 구동되는 기어부(41)가 연결되고, 이 기어부(41)에 바람직하게 3상 브러시가 없는 고효율의 영구자석 동기 발전기(42) 등이 연결되어 3상 AC 200~250V를 출력하고, 이 발전기(42)에는 시스템의 안전을 확보하고 고장시 수리에 사용되도록 제1 차단기(43) 및 제1 인덕터(44)가 연결된다.

이 제1 인덕터(44)에는 발전기로부터 입력된 3상 교류를 DC로 승압하는 컨버터(45)가 연결되고, 이 컨버터(45)에는 DC 전압을 2상 AC 220V로 출력하는 인버터(46)가 연결되어, 이 인버터(46)에 제2 인덕터(47)와 제2 차단기(48)가 연속하여 연결되며, 이 제2 차단기(48)에는 3상 AC 220V를 요구되는 전압으로 변환시키는 변압기(49)가 연결되고, 이 변압기(49)에 해저케이블(50)이 연결된다.

따라서, 블레이드(40)의 회전에 의해 생산된 전력은 변압기에 연결된 해저케이블(50)을 통해 제1 집진장치(미도시)로 집진되며, 제1 집진장치는 동일 선상에 구비된 복수의 발전기의 열 또는 행에서 생산된 전력을 각각 1차로 집진시키고, 각 제1 집진장치에서 집진된 전력은 제2 집진장치(미도시)로 전체 전력을 집진시킨 후 육상으로 송출된다.

이때, 블레이드(40)와 기어부(41), 발전기(42), 제1 및 제2 차단기(43)(48), 제1 및 제2 인덕터(44)(47), 컨버터(45), 인버터(46) 및 변압기(49)에는 센서(미도시)가 각각 부착되어 제2 집진장치에 구비된 모니터를 통해 조류발전기가 여러개인 경우 각각의 조류발전기의 상태를 유선 또는 무선으로 실시간 모니터링하여 제어 및 감시할 수 있으며, 어느 한 부분의 고장이 발생하면 그 위치와 고장내용을 정확하게 파악할 수 있다.

벽체(10)는 바람직하게 그 상단부가 조류발전기(20)의 블레이드(40)의 끝부분(하부 지점)이 위치하는 높이와 대응되게 설치되고, 조류발전기(20)와의 간격이 가까울수록 해수의 흐름 방향이 전환되는 효과는 더 상승하지만 안전 사고를 방지하기 위해 조류발전기(20)로부터 최소한의 안전거리를 확보할 수 있는 간격을 이격하여 설치하게 된다.

이러한 벽체(10)는 해수의 흐름 방향에 마주보게 설치되고, 전방에서 흘러 내려오는 해수 중 해저면(S)을 따라 흐르는 해수의 흐름을 막아 이 부분에서 유체의 흐르는 방향을 상측으로 전환시킴으로서 벽체(10)의 상단부 위로 흐르는 유체의 양을 증가시켜 해수가 벽체(10)의 위를 지날 때 그 위아래로 일정범위의 유속이 균일하게 빨라지도록 한다.

따라서 이 벽체(10)가 사라지는 지점에서 이 벽체(10)를 통과하며 해수의 흐름이 상향 조정되어 유속이 증가된 해수가 조류발전기(20)의 블레이드(40)에 접촉되며 조류발전에 활용되는 것으로서, 이는 유관의 단면을 축소시키면 내부 유체의 흐름이 빨라지는 유체역학적 개념에서 유래된 것이다.

이러한 벽체(10)는 블레이드(40)의 단면으로 유입되는 유체 속도 증가를 위한 것으로서, 본 실시 형태에서는 수직의 벽으로 나타내고 있으나, 이는 실시 형태에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

특히 벽체에 있어서 유체 흐름의 방향을 전환시키는 주요 부분은 해수가 정면에서 부딪히는 전방면이므로 이 부분의 형상을 변경하여 유체 흐름의 방향을 전환시키는 효율을 더 높임으로써 조류발전기(20)의 블레이드(40)에 전달되는 해수의 세기를 증가시킬 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 이 벽체(10')(10")의 전방면은 해저면(S)으로부터 조류발전기(20) 측으로 일정한 경사각을 갖는 상향 경사부를 갖도록 형성되며, 이 경사부는 평면(11)이거나 상측으로 볼록한 곡면(12) 등 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 이때 벽체(10")의 후방에 위치한 해저면에는 와류방지를 위해 홈부(13)가 형성될 수도 있다.

이러한 벽체(10')(10'') 전방면의 경사각을 조절하면 조류발전기(20)에 전달되는 균일한 유속을 갖는 해수의 상하 범위가 달라지게 되므로 이 경사각을 최적화시킨 후 블레이드(40)의 크기를 이에 맞게 확대하면 발전효율을 더 향상시킬 수 있을 것이다.

한편, 도 4 및 도 5를 참조하면, 벽체(10"')를 조류발전기(20)의 둘레를 둘러싸도록 설치할 수 있다. 즉, 조류발전기(20)의 블레이드(40)는 방향날개(24)에 의해 항상 해수가 흐르는 방향을 향하게 되는데 위와 같이 벽체(10"')를 조류발전기(20)의 둘레를 둘러싸는 링 형태로 구성하면 어느 방향에서 해수가 유입되더라도 항상 벽체(10"')에 의한 유체 흐름 변환 효과를 얻을 수 있으므로 이러한 조류발전 뿐만 아니라 조력발전시스템에도 응용하여 사용할 수 있을 것으로 예상된다.

그리고, 조류발전기(20)는 도 6에 도시된 바와 같이 블레이드(40)가 벽체(10"")의 경사부(12)에 대향되게 나셀(22')을 하측으로 경사지게 형성할 수 있다. 이 경우 균일한 유속을 받는 상하 범위가 더 넓어져 발전효율을 더 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 벽체의 형상과 구조는 위의 실시 형태에 제한되는 것은 아니고 다양하게 변형될 수 있으며, 이에 따라 조류발전기의 형상 및 구조도 적절히 변경될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다.

따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

S ; 해저면 10, 10' 10" 10"', 10"" ; 벽체
11, 12 ; 경사부 20 ; 조류발전기
21 ; 타워 22, 22' ; 나셀
40 ; 블레이드

Claims

해저면에 설치된 조류발전기; 및
상기 조류발전기의 전방에 해저면을 따라 흐르는 해수의 흐름 방향을 상향 조정하도록 소정 높이로 설치된 벽체; 를 포함하는 조류발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 벽체의 전방면이 해저면으로부터 상기 조류발전기 측으로 상향 경사부를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 조류발전시스템.
제2항에 있어서,
상기 경사부가 평면인 것을 특징으로 하는 조류발전시스템.
제2항에 있어서,
상기 경사부가 곡면인 것을 특징으로 하는 조류발전시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 벽체는 상단이 블레이드의 하단과 대응되는 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 조류발전시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 벽체가 상기 조류발전기의 둘레를 둘러싸도록 설치된 것을 특징으로 하는 조류발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 조류발전기는,
타워; 상기 타워 상단에 좌우로 회동 가능하게 설치된 나셀; 상기 나셀 일단에 회전 가능하게 설치된 하나 이상의 블레이드; 및 상기 나셀 타단에 상기 블레이드를 해수의 흐름 방향으로 위치시키기 위해 설치된 방향날개; 를 포함하며,
상기 벽체의 전방면이 해저면으로부터 상기 조류발전기 측으로 상향 경사부를 갖도록 형성되고, 상기 조류발전기의 블레이드가 상기 경사부에 대향되도록 하측으로 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 조류발전시스템.