KR20130034746A - 고효율 다단 조류 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조류 발전기에 관한 것으로서, 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 조류발전기에 있어서, 일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징과, 상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여 하우징 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가킴으로써 발전 효율이 향상된 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기에 관한 것이다. 고효율 다단 조류 발전기

Description

고효율 다단 조류 발전기{Multi-stage tidal current power plant with high efficiency}
본 발명은 고효율 다단 조류 발전기에 관한 것으로, 좀더 자세하게는, 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 고효율 다단 조류 발전기에 관한 것으로서, 일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징;과, 상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러;를 포함하여 하우징 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가킴으로써 발전 효율이 향상된 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 전력의 생산 방법은 화력, 수력, 원자력, 태양열, 풍력, 조력, 조류 발전등이 있다.
화력, 수력 및 원자력 발전은 연료 매장량의 한계, 환경 오염 및 방사능 위험성 때문에 최근 이를 대체하기 위하여 태양열, 풍력, 조력 및 조류 발전 등의 자연의 청정에너지를 이용한 발전 방법이 다양하게 연구되고 있다.
특히, 조류 에너지는 이러한 청정에너지 중의 하나로서 국내의 지형적 여건상 매우 유망한 에너지 자원으로 고려되고 있으며, 서해안 및 남해안에 고속 조류가 발생되는 지역이 대두되면서 조류에너지를 이용한 대용량 발전장치의 모색이 이루어지고 있다.
조류 발전은 조류 유속이 빠른 곳에 터빈과 발전기를 설치하여 해수의 운동에너지로부터 전기를 생산하며, 자연적인 조류 흐름을 그대로 이용한다는 점에서, 조력댐에 바닷물을 가뒀다가 흘려보내면서 낙차를 이용해 터빈을 돌려 전기를 만드는 조력발전과 구분된다.
따라서, 조류발전은 저수지를 확보하기 위해 댐을 막을 필요가 없고, 선박 다니기가 자유로우며 어류의 이동을 방해하지 않고 주변 생태계에 영향을 주지 않는 환경친화적 대체에너지 시스템이다.
일반적으로 조류 발전 장치의 기본 구조는 공개 특허 제10-2003-0024225호에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 해저면에 고정하는 지주(110)와, 상기 지주에 설치되어 해수의 흐름에 의해 회전되는 프로펠러(120)와, 상기 프로펠러(120)와 축 결합되어 프로펠러(110)의 회전운동을 전기 에너지로 변환하는 발전기(미도시)로 이루어진다.
하지만, 종래 기술에 따른 조류 발전 장치는 해수 표면의 물 흐름만 이용하기 때문에 큰 힘을 얻지 못하고, 조류 흐름에 부딪히는 프로펠러(120)의 유효저항면이 상대적으로 적어 전력 생산 효율이 낮다는 문제점이 있다.
또한, 발전기(미도시) 및 프로펠러(120)가 고정된 구조를 갖기 때문에 해수의 흐름 방향이 바뀌게 되면 프로펠러(120)의 회전이 불규칙하여 전기의 생산이 불안정하게 되고 고장으로 인한 유지보수를 하기가 어려운 문제점이 있다.
공개번호 특2003-0024225 (2003.03.26) '파일 고정식 해류 발전 시스템'
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유선형의 하우징 내부에 가이드베인이 설치된 조류발전용 수차 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상할 수 있는 고효율 다단 조류 발전기를 제공함에 있다.
또한, 하나의 구조물에 다수개의 조류발전용 수차를 설치하여 발전효율을 향상할 수 있으며 설치 비용을 절감할 수 있는 고효율 다단 조류 발전기를 제공함에 있다.
또한, 방향전환부에 의하여 조류 흐름에 따라 조류발전용 수차의 자동 방향 전환이 가능하고, 부력에 의한 승강 작용이 가능한 고효율 다단 조류 발전기를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 조류발전기에 있어서, 일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징;과, 상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기에 의해 달성된다.
또한, 상기 유입덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 유체의 유속을 증가시켜 상기 축관부로 공급하는 가이드베인을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기둥의 외주면에 수평방향으로 회전 가능하도록 설치되고 반경 방향으로 상기 하우징이 복수개 설치되며, 상기 기둥에 수직방향으로 적어도 하나 이상 설치되는 방향전환부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하우징은 상기 배출덕트에 설치된 상기 임펠러에서 발생하는 추력에 의하여 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부가 회전하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방향전환부의 일측에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부를 회전시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하우징의 외주면에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 방향전환부를 회전시킴으로써 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방향전환부는 내부에 유체를 수용하고, 수용된 유체의 양에 따라 부력이 변화함으로써 수중 내에서 승강이 가능한 것이 바람직하다.
또한, 상기 방향전환부의 승강 높낮이를 제한하는 스토퍼가 상기 기둥의 외주면에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면,유선형의 하우징 내부에 가이드베인이 설치된 조류발전용 수차 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상된 고효율 다단 조류 발전기가 제공된다.
또한, 하나의 구조물에 다수개의 조류발전용 수차를 설치하여 발전효율을 향상할 수 있으며 설치 비용을 절감할 수 있는 고효율 다단 조류 발전기가 제공된다.
또한, 방향전환부에 의하여 조류 흐름에 따라 조류발전용 수차의 자동 방향 전환이 가능하고, 부력에 의한 승강 작용으로 인해 발전 수심 조절이 가능하고 유지 보수가 용이한 고효율 다단 조류 발전기가 제공된다.
도 1은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 사시도이고,
도 2는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 수차의 단면도이고,
도 3은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 안내깃의 사시도이고,
도 4는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 안내깃의 사시도이고,
도 5는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 모노파일 구조 정면도이고,
도 6은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 잔교식 구조 정면도이다.
설명에 앞서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일실시예에서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 다단 조류 발전기에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 사시도이고, 도 2는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 수차의 단면도이고, 도 3 내지 도 4는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 안내깃의 사시도이다.
본 발명에 따른 고효율 다단 조류 발전기는 기둥(10)과, 조류를 이용하여 전력을 생산하는 수차(20)와, 수차(20)의 방향을 전환하는 방향전환부(30)를 포함하여 구성된다.
도 1을 참조하면, 기둥(10)은 일단이 해저 바닥에 매설되고 타단은 해수면 위로 노출되는 원통 형상의 부재로서, 외주면에 후술하는 방향전환부(30)의 승강 높낮이를 제한하는 스토퍼(11)가 방향전환부(30)의 상부와 하부에 이격되어 형성된다.
본 실시예에서 스토퍼(11)는 수직 방향으로 설치된 두 개의 방향전환부(30) 각각의 상부와 하부에 설치된다.
한편, 스토퍼(11)는 탈착 가능하거나 조작에 의하여 기둥(10) 내부로 들어감으로써 방향전환부(30)가 보수시에 부력을 이용하여 수면으로 떠오를 수 있도록 하는 것이 바람직하나, 상기의 구조에 제한되는 것은 아니고 다른 형태로 실시될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 수차(20)는 내부로 유입되는 조류에 의하여 전력을 생산하는 장치로써, 하우징(21)과, 하우징(21) 내부에 설치되어 회전하는 가이드베인(25) 및 임펠러(27)와, 조류를 가이드베인(25)에 형성된 블레이드로 분산시키는 디퓨저(26)와, 전력을 생산하는 발전기(28)를 포함한다.
하우징(21)은 양단부가 개구된 원통형상의 부재로써 중간부에 직경이 작아지는 축관부(22)가 형성되어 유선형의 형상이며, 양단부에는 조류가 유입되고 배출되는 유입덕트(23)과 배출덕트(24)가 형성된다.
가이드베인(25)은 항공분야에서 사용되는 제트엔진에서 압축기의 역할을 하는 부재로써, 원주방향으로 형성된 날이 회전하여 유입된 조류를 하우징(21) 내부로 유입하여 축관부(22)로 공급하는 부재로써 유입덕트(23)에 두 개가 설치된다.
따라서, 해수는 가이드베인(25)에 의하여 유로가 작아지는 축관부(22)로 계공 공급되므로, 축관부(22)로 공급된 유체가 축관부(22)를 지나 배출덕트(24) 방향으로 진행하면서 유속이 빨라지게 된다.
디퓨저(26)은 가이드베인(25)의 중심부로 유입되는 조류를 중심부 외부로 안내하여 가이드베인(25)에 형성된 블레이드의 바깥쪽으로 조류를 공급하여 가이드베인(25)의 회전력을 높이는 부재이다.
임펠러(27)는 축관부(22)를 통과하여 유속이 상승된 조류에 의하여 회전하는 장치이며 조류가 배출되는 후미에 두 개가 설치되며 발전기(28)와 함께 설치되어 임펠러(27)의 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하여 축전지(미도시)에 저장된 후 외부로 공급된다.
한편, 발전기(28)는 앞서 설명한 위치뿐만 아니라 수차(20)와 떨어져서 수상에 설치되는 것 역시 가능하다.
도 1을 참조하면, 방향전환부(30)는 복수개의 수차(20)가 설치되고 수평방향으로 회전하는 장치로서, 수차가 설치되는 설치대(31)와, 조류가 흐르는 방향에 대하여 수직이 되도록 회전을 안내하는 안내깃(32)을 포함한다.
설치대(31)는 기둥(10)의 외주면에 회전 가능하도록 결합되고, 기둥(10)을 중심으로 유선형의 프레임이 사방으로 연장 형성되어 각각의 단부에 수차(20)가 설치된다.
또한, 내부에 수용공간이 형성되어 수용되는 해수의 양을 조절함으로써 부력을 이용하여 방향전환부(30) 전체를 승강할 수 있으며, 기둥(10)의 외주면에 형성된 스토퍼(11)에 의하여 다단으로 설치되는 수차(20)간의 충돌을 방지할 수 있다.
또한, 방향전환부(30)의 수심에 따른 유속을 측정하여 부력을 제어함으로써 방향전환부(30)의 승강을 제어하는 제어부(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 수차(20)의 설치 단수 및 설치 방향은 상술한 방법에 의하여 제한되는 것은 아니고 수차(20)간 조류의 영향을 주지 않도록 하여 다양한 형태로 실시될 수 있다.
도 3을 참조하면, 안내깃(32)은 설치대(31)의 유선형의 프레임 단부 또는 하우징(21)의 외주면의 상부 또는 하부에 수직으로 설치됨으로써 설치대(31)가 조류속 유향에 대하여 수직이 되도록 안내하는 부재이다.
또한, 조류의 유향에 따라 수차(20) 후미에서 발생하는 추력에 의하여 설치대(31)가 조류 유향에 대하여 수직이 되도록 자동으로 회전하게 되므로, 안내깃(32)을 설치하지 않아도 조류 유향에 수직이 되므로 충분한 동력을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 모노파일 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 잔교식 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 고효율 다단 조류 발전기는 도면에 도시된 바와 같이, 단일 기둥이 해저에 설치되고 수상에 부유체가 설치된 모노파일 구조와 다수의 기둥을 해저에 설치하고 수상에 교량 등의 구조물이 설치된 잔교식 구조에 적용될 수 있다.
따라서, 수상에 설치된 부유체 및 구조물의 상판에 압축공기 저장장치(40)를 설치함으로써, 수차(20)에 의하여 생산된 전력을 압축공기의 형태로 저장하고, 전력이 필요한 경우 저장된 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 것이 가능하다.
지금부터는 상술한 고효율 다단 조류 발전기의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 제어부(미도시)가 조류의 수심에 따른 유속을 측정하여 설치대(31)의 부력을 조절하여 승강 높낮이를 조절하여 수차(21)를 최대한 유속이 빠른 위치에 위치시킨 후, 하우징(21) 또는 방향전환부(30)에 설치된 안내깃(32)에 의하여 수차(20)이 조류 유향에 대하여 수직이 되도록 설치대(31)가 자동으로 회전한다.
유입되는 조류는 디퓨저(26)에 의하여 유입덕트(22)에 설치된 가이드베인(25)의 블레이드의 바깥쪽에 공급되어 가이드베인(25)를 회전시키고, 가이드베인(25)의 회전에 의하여 내부로 유입된 조류는 축관부(22)로 계속하여 공급되며, 직경이 작아지는 축관부(22)에서 압축된다.
하우징(21)은 직경이 작아지는 축관부(22)를 통과하면 다시 직경이 커지게 되는 유선형 형상이므로 조류의 유속은 빨라지게 되고 외부로 배출되면서 임펠러(27)을 회전시키게 되고, 회전하는 임펠러(27)와 함께 설치된 발전기(28)에 의하여 전력이 생산된다.
상술한 바에 의하여 최대한의 빠른 유속을 갖는 조류가 하우징(21) 내부로 유입되고, 또한 유선형의 하우징 내부의 가이드베인(25)과 축관부(22)에 유속이 빨라지게 되므로 발전 효율이 향상된다.
또한, 앞서 서술한 바와 같이 모노파일 또는 잔교식 구조의 수상에 설치되는 부유체 또는 구조물에 압축공기 저장장치(40)를 설치하여, 조류를 이용하여 생산된 전력을 압축하여 저장하고, 전력 공급이 필요시에 압축된 공기를 이용하여 전력을 생산하여 공급할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10: 기둥 11: 스토퍼
20: 수차 21: 하우징
22: 축관부 23: 유입덕트
24: 배출덕트 25: 가이드베인
26: 디퓨저 27: 임펠러
28: 발전기 30: 방향전환부
31: 설치대 32: 안내깃
40: 압축공기 저장장치

Claims (8)

  1. 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 조류발전기에 있어서,
    일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징;
    상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 유체의 유속을 증가시켜 상기 축관부로 공급하는 가이드베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기둥의 외주면에 수평방향으로 회전 가능하도록 설치되고 반경 방향으로 상기 하우징이 복수개 설치되며, 상기 기둥에 수직방향으로 적어도 하나 이상 설치되는 방향전환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 배출덕트에 설치된 상기 임펠러에서 발생하는 추력에 의하여 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부가 회전하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 방향전환부의 일측에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부를 회전시키는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하우징의 외주면에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 방향전환부를 회전시킴으로써 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  7. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    상기 방향전환부는 내부에 유체를 수용하고, 수용된 유체의 양에 따라 부력이 변화함으로써 수중 내에서 승강이 가능한 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방향전환부의 승강 높낮이를 제한하는 스토퍼가 상기 기둥의 외주면에 설치되는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
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