KR20120111387A - 파력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 항행중 또는 조업중에 파력을 이용하여 전력을 생성하여 상용전력과 내연기관을 병용하는 하이브리드형 전기선을 구현할 수 있는 파력발전기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 파력발전기는 선박 또는 해안의 고정 구조물에 설치되는 마운트부재와; 상기 마운트부재에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 허브와, 상기 허브에 고정되어 회전하며 상기 회전축의 중심으로부터 일정 거리 이격된 위치에서부터 반경방향 외측으로 만곡되면서 연장되게 형성된 복수개의 블레이드를 포함하는 터빈과; 상기 터빈에 연결되어 터빈의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전부를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

파력발전기{Wave Activated Generator}

본 발명은 파력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박에 장착되어 해수파의 에너지를 직접 회전 운동으로 변환하여 전력을 생산하는 파력발전기에 관한 것이다.

최근 환경친화적인 자연 에너지의 이용이 장려되고 있으며, 이미 태양광, 풍력, 파력, 조력, 지열 에너지 등을 이용한 각종 발전방식이 활발히 개발되고 있다. 그러나 현재로서는 태양광과 풍력 이용시설 만이 실용화되어 있는 상태이고, 나머지 분야는 아직도 경제성이나 기술적 측면에 문제가 많아서 널리 실용화되지 못하고 있다.

실측결과에 의하면 해양의 파력 에너지는 태양광이나 풍력 에너지에 비해서 대단히 안정된 에너지원으로 나타나 있다.

이러한 파력 에너지를 이용한 파력발전 시스템은 파도를 형성하는 물의 운동을 직접 기계적인 수단으로 흡수하여 리니어 발전기 또는 회전형 발전기를 구동하는 직접방식과, 물의 운동을 1차적으로 공기의 운동으로 변환하여 풍력 터빈을 구동하는 간접방식으로 분류할 수 있다.

전자는 해면에 띄운 부체의 수직 또는 수평 운동을 직접 리니어 발전기에 전달하거나 클랭크 샤프트 등으로 선형운동을 회전운동으로 변환하여 발전기를 구동하는 방식인데, 이 방식은 부체의 운동 폭과 방향이 파도의 높이에 따라 항상 변화하고 있기 때문에 최적 구조를 도출하기가 어렵고 발전 파형도 펄쓰 형인 경우가 많아서 발전효율이 낮고 구조적으로도 취약하여 관리면에서도 문제가 많은 것으로 알려져 있다.

두번째 방법은 파면의 운동을 1차적으로 공기의 운동으로 변환한 후, 이것으로 풍력 터빈을 회전시키는 방법이다. 이 방법은 파도의 불규칙적이고 충격적인 운동을 공기의 운동에너지로 변환하는 과정을 통해, 파도의 운동에너지를 원활하게 흡수할 수가 있을 뿐 아니라, 파도의 공간적인 운동을 특별한 기계적 기구 없이 선형운동으로 변환하여 공기 터빈을 구동할 수 있다는 장점이 있다.

파랑 에너지 이용기술의 현재의 주류는 진동수주형(Oscillating Water Column: OWC)이라 할 수가 있는데, 이 방식에서는 해면에 밀폐된 원주를 설치하여 그 속에 생기는 수주(물기둥)의 왕복운동으로 생기는 왕복기류를 공기터빈과 발전기를 사용하여 전기에너지로 변환한다. 이 발전기에서는 기류가 항상 왕복운동하므로 기류의 방향에 상관없이 일정 방향으로 회전하는 터빈이 필요한데, 이러한 터빈으로서 가장 널리 사용하고 있는 것이 웰스터빈(Wells Turbine)이다. 그러나, 웰스터빈은 기존의 단일 방향 터빈에 비하여 효율이 낮고, 날개의 회전속도가 높기 때문에 고출력의 경우 강도 및 보수에 문제가 있고, 소음이 많다는 것이 결점으로 지적되고 있다. 특히 이 웰스터빈은 고속회전중에 수괘(water lump)의 충돌시 쉽게 파손되는 치명적인 단점이 있다.

현재까지 파력발전 시설은 해외 수개소에서 대규모 발전소로서 시험운용되고 있으나 공사비가 과중하고 태풍이나 해일 등으로 인힌 피해가 많아서 아직 큰 호응은 얻지 못하고 있다.

그리고, 소형 부동형 파력발전기는 현재, 항만 소형 표식등으로 상당수가 설비되어 운용되고 있으며 그 유효성도 인정되고 있다. 그러나 설치위치가 주로 외딴 해면이기 때문에 보수가 어렵고 각종 자연적, 인위적 사고로 인한 손실이 많아서 역시 넓게 보급되지 않고 있다.

한편, 최근들어 원유가의 상승과 온실가스 배출의 제한 등 윈유를 사용하는 동력비용이 급격히 상승하고 있고, 공기오염을 우려하는 환경관련 단체들의 요구도 점차 거세지고 있어서 선박에 있어서도 자동차와 마찬가지로 청정 에너지를 동력으로 사용하는 에코 동력 시스템의 도입이 요구되고 있다. 지금까지 해상에 있어서는 육상과는 달리 매연가스 문제가 그리 심각하게 논의되고 있지 않으나, 최근에 선박의 대형화와 운행수의 증가는 특히 연해지역의 공기를 크게 오염시키고 있어서 이에 대한 대책이 요구된다.

본 발명은 이러한 요구를 해결하기 위하여 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 선박의 항행중 또는 조업중에 파력을 이용하여 전력을 생성하여 상용전력과 내연기관을 병용하는 하이브리드형 전기선을 구현할 수 있는 파력발전기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 파도의 전방향성 운동에너지를 직접적으로 발전기의 구동에 적합한 단일 방향의 회전에너지로 변환할 수 있는 파력발전기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 선박 또는 해안의 고정 구조물에 설치되는 마운트부재와; 상기 마운트부재에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 허브와, 상기 허브에 고정되어 회전하며 상기 회전축의 중심으로부터 일정 거리 이격된 위치에서부터 반경방향 외측으로 만곡되면서 연장되게 형성된 복수개의 블레이드를 포함하는 터빈과; 상기 터빈에 연결되어 터빈의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전부를 포함한 구성으로 이루어진다.

본 발명의 파력발전기는 선박 또는 해안의 고정 구조물에 용이하게 장착될 수 있으며, 해수의 흐름에 의해 터빈이 일방향으로 회전하면서 전력을 효율적으로 생산할 수 있다.

특히, 본 발명의 파력발전기가 선박에 적용되는 경우, 선박의 항행중 또는 조업중에 파력을 이용하여 발전한 전력을 축전지에 충전하여 사용할 수 있으므로, 연료비의 절약은 물론이고 해양 오염을 최소화하여 해양의 청정화에 기여할 수 있는 하이브리드형 전기선의 구현이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 따른 파력발전기가 선박에 적용된 상태의 일례를 나타낸 평면도 및 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 파력발전기의 일 실시예를 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 2의 화살표 방향에 바라본 도면이다.
도 4는 도 2의 파력발전기의 발전부의 구성을 나타낸 요부 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2의 파력발전기의 터빈의 일 실시형태를 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 6은 해수파의 흐름 방향에 따른 터빈의 작동을 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 터빈의 다른 실시형태를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 파력발전기의 디른 실시예를 나타낸 정면도이다.
도 9는 도 8의 파력발전기의 터빈의 일 실시형태를 나타낸 사시도이다.
도 10은 도 9의 터빈의 요부 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 파력발전기가 해안의 조력발전기로서 적용된 예를 나타낸 사시도이다.
도 12는 심해와 연해에서의 파도의 운동을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 파력발전기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전기(100)는 선박의 양측면부에 설치되며, 상기 선박(S)의 선체에 설치되는 마운트부재와, 상기 마운트부재에 파력에 의해 회전하도록 구성되는 터빈(120)과, 상기 터빈(120)에 연결되어 터빈(120)의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전부(130)를 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 마운트부재는 선박에 고정되는 고정프레임(111)과, 상기 고정프레임(111)에 힌지축(113)을 중심으로 상하 방향으로 회동가능하게 연결되며 상기 터빈(120)과 발전부(130)가 장착되는 가동프레임(112)과, 상기 고정프레임(111)에 대해 가동프레임(112)을 회전시키는 회동수단으로 구성된다. 여기서, 상기 회동수단은 일단이 상기 가동프레임(112)에 연결되며 타단이 사람 또는 전동모터에 의해 회전하는 풀리(미도시)에 권선된 와이어(114)로 구성되어, 상기 풀리(미도시)가 회전함에 따라 와이어(114)가 풀리(미도시)에 감겨지거나 풀어지면서 가동프레임(112)을 힌지축(113)을 중심으로 회전시키게 된다.

물론, 이 실시예에서는 상기 가동프레임(112)이 고정프레임(111)에 대해 상하 방향으로 회전 운동하면서 터빈(120)의 위치를 조정할 수 있도록 되어 있으나, 이와 다르게 가동프레임(112)을 고정프레임(111)에 대해 상하 방향 또는 대각선 방향 등 임의의 방향으로 직선 운동 및/또는 회전 운동시켜 터빈(120)의 위치를 가변시킬 수도 있을 것이다.

상기 발전부(130)는 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 터빈(120)의 회전축에 연결되어 회전하는 전기자(131)와, 상기 전기자(131)의 외측에 배치되어 전기자(131)와 함께 유도기전력을 생성하는 계자(132)와, 상기 및 전기자(131) 및 계자(132)를 수밀시키면서 내부에 수용하는 발전기하우징(133)과, 상기 전기자(131) 및 계자(132)에 의해 생성된 전력을 선박에 설치된 축전지(미도시)로 공급하는 인출선(134)을 포함하여 구성된다.

상기 발전기하우징(133)은 양단이 상기 가동프레임(112)에 고정되는 고정밴드(115)에 의해 가동프레임(112)에 단단히 고정된다.

상기 터빈(120)은 해수면 아래에 잠기어 파도의 전방향성 운동에너지를 직접적으로 발전기의 구동에 적합한 단일 방향의 회전에너지로 변환하는 작용을 한다. 해면을 전파하는 정현파 수파는 그 단면을 보면 수심이 파장의 반을 넘는 환경에서는 물입자가 오비털운동(orbital motion)을 한다. 이 운동은 수심이 파장의 반 이상이 되는 심해에서는 도 12의 (a) 도면에 도시된 것과 같이 원호운동이지만, 수심이 얕은 곳에 가면 도 12의 (b) 도면에서와 같이 타원형으로 변하여 수평방향의 성분이 더 커지고 파형도 일그러진다. 또한, 심해라 할지라도 파고가 높아지면 스토크스의 이론에 따라 트로이달 곡선을 그리는데, 이 때는 파의 진행 방향의 수평 성분이 그 반대 측 보다 상대적으로 커진다. 이러한 점을 고려할 때, 파력발전용 터빈은 물입자의 이러한 전방향 운동을 발전기를 위한 단일방향 회전운동으로 변환할 수 있는 구조를 필요로 하는데, 상기 터빈(120)은 이러한 요건을 만족할 수 있는 구조를 갖는다.

도 2와 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 터빈(120)은 상기 가동프레임(112)에 외측단에 연결된 회전축(121)을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 한 쌍의 허브(122)와, 상기 한 쌍의 허브(122) 사이에 고정되어 회전하며 상기 회전축(121)의 중심으로부터 일정 거리 이격된 위치에서부터 반경방향 외측으로 만곡되면서 연장되어 대략 반원통 형상을 갖는 복수개(이 실시예에서 2개)의 블레이드(123)로 구성된다.

상기 허브(122)는 2개의 원판이 서로 일정 거리 이격되어 대향되게 구성된다. 그리고, 상기 블레이드(123)들은 양단부가 상기 허브(122)에 고정되어 수파에 의해 허브(122)와 함께 회전축(121)을 중심으로 일방향으로 회전 운동한다.

상기와 같이 일방향으로 만곡된 복수개의 블레이드(123)를 갖는 터빈(120)은 도 6에 도시된 것과 같이, 해수파의 전방향 운동에 대해 단일방향으로 회전 운동하여 효율적으로 전력을 생산할 수 있다.

이 실시예에서 상기 터빈(120)의 블레이드(123)는 양단이 허브(122) 모두에 고정되었으나, 도 7a 및 도 7b에 도시한 것과 같이, 블레이드(123)의 내측부만 허브에 고정시키고 블레이드(123)의 외측부를 허브(122)에 고정시키지 않고 자유로운 상태로 놓아 두면, 블레이드(123)의 외측단부가 안쪽으로 휘어지면서 항력이 자동으로 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 상기 블레이드(123)는 외측단부에서의 휨이 더욱 잘 일어나도록 내측단부에서 외측단부로 갈수록 두께가 작아지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 파력발전기의 작동에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 가동프레임(112)을 지탱하는 와이어(114)의 장력을 조정하여 도 1에 도시한 것처럼 터빈(120)이 해수면의 바로 아래에 잠기도록 가동프레임(112) 및 터빈(120)의 위치를 조정한다. 이 때, 전술한 것처럼 해면에서 해수 입자가 원호 운동을 하므로(도 12 참조) 도 6에 도시한 것과 같이 터빈(120)이 해수파에 의해 일방향으로 회전 운동하게 된다.

상기 터빈(120)이 회전하게 됨에 따라 터빈(120)과 연결된 발전부(130)의 전기자(131)가 회전하게 된다. 이에 따라 전기자(131)와 계자(132) 간에 유도기전력이 발생하고, 생성된 전력은 인출선(134)을 통해서 선박의 축전지(미도시)에 충전된다.

상기 터빈(120)의 위치는 해수면과 근접할수록 에너지 취입량이 많아지지만, 파고가 높은 경우에는 터빈(120)이 해수면 위치로 튀어나와 발전효율이 저해될 가능성이 있다. 따라서, 이 경우 와이어(114)로 가동프레임(112)의 위치를 조정하여 터빈(120)의 위치를 파고에 따라 적절하게 가변시킨다.

그리고 선박의 고속 운행이 요구될 경우에는 작업자 또는 전동모터가 와이어(114)가 감겨진 풀리(미도시)를 동작시켜 와이어(114)를 풀리(미도시)에 감아들이면, 가동프레임(112)이 힌지축(113)을 중심으로 고정프레임(111)에 대해 상측으로 회동하여 터빈(120)이 해수면 위로 올라오게 된다. 이 상태에서 선박을 운행하면 터빈(120)에 의한 수중저항이 발생하지 않아 고속 운행이 가능하게 된다.

또한, 해상의 파고가 높아 파력발전기(100)를 보호하거나 터빈(120) 등의 수리를 하고자 할 경우에도 와이어(114)로 가동프레임(112)을 상향 회전시켜 터빈(120)의 위치를 가변시킬 수 있다.

한편, 전술한 실시예의 파력발전기는 터빈(120)이 1단으로만 구성되었으나, 도 도 8 내지 도 10에 도시한 것과 같이 터빈(120)을 2단 이상의 다단으로 구성할 수 있다. 즉, 도 8 내지 도 10에 도시된 파력발전기(100)는 터빈(120)이 제1터빈(120A)과, 이 제1터빈(120A)에 직렬로 연결된 제2터빈(120B)의 2단으로 구성된다. 여기서, 상기 제1터빈(120A)의 블레이드(123A)와 제2터빈(120B)의 블레이드(123B)들은 소정의 위상차(이 실시예에서 90도)를 가지면서 서로 엇갈리게 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 블레이드(123A, 123B)들이 소정의 위상차를 가지면서 다단으로 구성되면, 사각(死角)이 없어져 해수파의 흐름이 약한 경우에도 원활한 회전력을 얻을 수 있게 되고, 결과적으로 발전 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 파력발전기(100)는 소형이면서 경량으로 이루어질 수 있고, 선박에의 착탈이 용이하게 구성되어 있다. 따라서, 해수파의 특성에 따라 선박의 최적의 위치에 간단하고 용이하게 장착할 수 있다. 예를 들어, 작업중이나 정박시에 선미 또는 선수의 닷구멍(anker hole) 근처의 선체 외벽에 장착하면 파의 주기에 상관없이 수면에 대해 터빈(120)이 일정한 위치를 유지할 수 있다. 또한, 배수량이 커서 요동이 적은 선박에 대해서는 선체의 중앙부에 설치할 수도 있다.

한편, 전술한 실시예의 파력발전기(100)는 선박에 장착되어 선박에 필요한 전력을 생산함으로써 하이브리드형 전기선을 구현하고 있지만, 조수간만의 차이가 심한 연안에 설치되어 조류에 의해 전력을 생산하는 조력발전기로 적용할 수도 있다. 이 경우, 도 11에 도시한 것과 같이 해안가의 고정 구조물에 상,하부 고정프레임(110)을 각각 설치하고, 복수개(이 실시예에서 4단)의 터빈(120A, 120B, 120C, 120D)을 직렬 연결하여 구성하고, 상기 직렬 연결된 터빈(120A, 120B, 120C, 120D)을 복수개 병렬로 설치하여 조력발전기를 구성할 수 있다. 물론, 이 경우 직렬로 연결되어 있는 각각의 터빈(120A, 120B, 120C, 120D)의 블레이드(123)들은 일정한 위상차를 갖는 것이 바람직하다.

전술한 것과 같이 본 발명의 파력발전기는 선박 또는 해안의 고정 구조물에 설치되어 해수의 흐름에 의해 터빈(120)이 일방향으로 회전하면서 전력을 효율적으로 생산할 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 파력발전기에 대한 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

100 : 파력발전기 111 : 고정프레임
112 : 가동프레임 113 : 힌지축
114 : 와이어 115 : 고정밴드
120 : 터빈 121 : 회전축
122 : 허브 123 : 블레이드
130 : 발전부 131 : 전기자
132 : 계자 133 : 발전기하우징
134 : 인출선

Claims (8)

1. 선박 또는 해안의 고정 구조물에 설치되는 마운트부재와;
   상기 마운트부재에 회전축(121)을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 허브(122)와, 상기 허브(122)에 고정되어 회전하며 상기 회전축(121)의 중심으로부터 일정 거리 이격된 위치에서부터 반경방향 외측으로 만곡되면서 연장되게 형성된 복수개의 블레이드(123)를 포함하는 터빈(120)과;
   상기 터빈(120)에 연결되어 터빈(120)의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전부(130)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 터빈(120)은 복수개가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 파력발전기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 터빈(120)의 블레이드(123)들은 임의의 위상차를 가지면서 서로 엇갈리게 형성된 것을 특징으로 하는 파력발전기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 터빈(120)의 블레이드(123)의 외측부는 허브(122)에 고정되지 않고 물의 유동에 의해 움직일 수 있도록 자유로운 상태인 것을 특징으로 하는 파력발전기.
5. 제4항에 있어서, 상기 터빈(120)의 블레이드(123)는 내측단에서 외측단으로 갈수록 두께가 작아지는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
6. 제1항에 있어서, 상기 마운트부재는, 선박에 고정되는 고정프레임(111)과, 상기 고정프레임(111)에 임의의 방향으로 이동 가능하게 설치되며 상기 터빈(120)과 발전부(130)가 장착되는 가동프레임(112)을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
7. 제6항에 있어서, 상기 가동프레임(112)은 상기 고정프레임(111)에 힌지축(113)을 중심으로 상하 방향으로 회동가능하게 연결되어 회동수단에 의해 상하로 회동하여 터빈(120)의 설치 위치의 조정이 가능하게 된 것을 특징으로 하는 파력발전기.
8. 제7항에 있어서, 상기 회동수단은 일단이 상기 가동프레임(112)에 연결되며 타단이 사람 또는 전동모터에 의해 회전하는 풀리에 권선된 와이어(114)로 구성된 것을 특징으로 하는 파력발전기.

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