KR20130042092A - 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치 - Google Patents

풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해상에서 풍력에너지와 파력에너지를 복합적으로 이용하여 발전하는 장치에 관한 것으로, 해저 바닥으로부터 일정 높이로 설치된 케이슨 위에 수면 이상으로 설치되는 지지구조물; 상기 지지구조물 위에 설치되어 파랑에 의한 파압을 형성하여 지지구조물 위에 설치된 제2터빈을 파압으로 회전시키는 케이슨, 및 해상에서 부는 바람에 의하여 회전력이 발생되는 제1터빈의 회전축이 상부에서 연결되고, 상기 제2터빈의 회전축이 하부에서 연결되어 제1터빈과 제2터빈의 회전에너지로 발전하는 발전기를 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 해상에서 형성된 바람에 의한 풍력에너지와 파랑에 의하여 형성되는 파력에너지로부터 복합 발전이 가능하므로 풍력에너지와 파력에너지를 이용하여 상호 보완이 가능한 복합 발전으로 지속적이고 극대화된 발전이 이루어지고, 해양재생에너지의 이용에 따른 효율성을 제고할 수 있다.

Description

풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치{Apparatus for Generation Complex using Wind Power and Wave Power}
본 발명은 풍력과 파력을 이용하여 복합 발전하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해상에서 풍력에너지와 파력에너지를 복합적으로 이용하여 발전하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 신재생에너지는 연료전지, 수소에너지 등의 신에너지와 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력 등의 재생에너지를 합친 것으로, 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지이다. 이는 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원을 그 특성으로 한다. 신재생에너지는 화석연료의 고갈 및 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응, 그리고 환경문제 등으로 그 중요성이 커지게 되었다.
재생에너지의 활용에 대한 관심이 고조되면서 다양한 해양재생에너지를 이용하는 발전이 논의되어 실현되고 있으며, 이런 배경에서 풍력발전, 조력발전과 파력발전도 가능성이 있는 해상재생에너지의 한 축으로 이해되고 있다.
따라서 해상에서 주로 이용되는 재생에너지원으로 풍력발전, 조력발전, 그리고 파력발전은 각각의 에너지원을 이용하여 발전하기 위한 시스템이 설치된다. 각각의 시스템은 설치비용이 많이 소요된다. 그럼에도 불구하고 풍력발전은 바람이 없거나 약하게 부는 때에 효율이 낮고, 조력발전은 조수 간만의 차가 작거나 밀물과 썰물이 이동하지 않은 때에 효율이 낮으며, 파력발전은 파랑이 잦아들거나 약한 경우에 효율이 낮은 문제가 있었다.
종래에 해상에너지원으로 해상에서 부는 바람에 의한 풍력에너지와 조수 간만의 차에 의한 조석에너지를 이용하는 풍력과 조력을 이용하여 복합 발전하는 시스템이나 해상에서 부는 바람에 의한 풍력에너지와 바닷물의 파랑에 의한 파랑에너지를 이용하는 풍력과 파력을 이용하여 복합 발전하는 시스템이 있었다. 그러나 풍력과 조력의 경우에 해상에서 바람이 잦아들거나 조수 간만의 차가 적거나 조수가 움직이지 않을 때에는 발전 효율이 낮은 문제가 있었다. 또한 풍력과 파력의 경우에는 해상에서 바람이 잦아들거나 파도가 치지 않을 때에는 발전 효율이 낮은 문제가 있었다.
따라서 각각의 발전시스템은 지속적인 발전을 하지 못해 실질적인 효율성을 제고해야 하는 실정이다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 해양재생에너지원으로 풍력에너지와 파력에너지를 이용하여 상호 보완이 가능한 복합 발전으로 지속적이고 극대화된 발전이 이루어지도록 함으로써, 해양재생에너지의 효율성을 제고하기 위한 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치는, 해저 바닥으로부터 일정 높이로 설치된 기초지반 위에 수면 이상으로 설치되는 지지구조물; 상기 지지구조물 위에 설치되어 파랑에 의한 파압을 형성하여 지지구조물 위에 설치된 제2터빈을 파압에 의한 공기압으로 회전시키는 케이슨, 및 해상에서 부는 바람에 의하여 회전력이 발생되는 제1터빈의 회전축이 상부에서 연결되고, 상기 제2터빈의 회전축이 하부에서 연결되어 제1터빈과 제2터빈의 회전에너지로 발전하는 발전기를 포함하여 이루어진 것이다.
또한, 본 발명에서, 상기 케이슨은 정면과 저면이 개방된 육면체 형상이되, 평면과 배면은 사각형의 플레이트 형상이고, 좌측면과 우측면은 기역(ㄱ)자형 플레이트 형상이며, 좌측면 및 우측면 플레이트에 지지구조물 상면과 측면에서 각각 결합되는 수평결합부와 수직결합부가 형성되고, 지지구조물 측면에 결합되는 저면으로 제1통공이 형성되고, 지지구조물 상면에 결합되는 정면으로 제2통공이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 평면 플레이트 아래에 제1통공으로 출입되는 바닷물에 의하여 형성된 파압을 제2터빈으로 유도하는 유도 플레이트가 지지구조물과 일체형 또는 분리형으로 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 제2터빈은 제1통공으로 출입되는 바닷물에 의하여 형성되는 파압으로 회전되거나 제2통공에서 유입된 공기에 의하여 형성되는 공기압으로 회전될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 제1터빈의 회전축과 제2터빈의 회전축에 회전속도를 증가시키는 증속기가 각각 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 제1터빈과 연결된 회전축에 발전기의 회전자가 결합되고 제2터빈과 연결된 회전축에 발전기의 고정자가 결합되며, 발전기의 회전자와 고정자는 상호 반대방향으로 회전될 수 있다.
본 발명은 해상에서 형성된 바람에 의한 풍력에너지와 파랑에 의하여 형성되는 파력에너지로부터 복합 발전이 가능하므로 풍력에너지와 파력에너지를 이용하여 상호 보완이 가능한 복합 발전으로 지속적이고 극대화된 발전이 이루어지며, 해양재생에너지의 이용에 따른 효율성을 제고할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치를 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명의 발전기를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 케이슨을 나타낸 평단면도이다.
도 5는 본 발명의 케이슨을 나타낸 분리사시도이다.
도 6은 본 발명의 케이슨의 구조를 나타낸 투시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치의 작용을 나타낸 측면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서, 본 발명은 해상에서 발생하는 바람과 파랑에 의한 에너지를 각각 이용하여 복합 발전을 하는 장치이다.
도 2에서, 해저 바닥에는 지반으로부터 일정 높이로 기초지반(1)이 설치되고, 기초지반(1) 위에는 기초지반(1)으로부터 일정 높이로 대략 직육면체 형상의 지지구조물(2)이 수면 이상으로 설치된다. 지지구조물(2)은 콘크리트로 타설된다.
도 5에서, 파압형성부재로서 케이슨(20)은 지지구조물(2) 위에 설치되어 파랑에 의한 파압에 의한 압축된 공기압을 형성하여 지지구조물(2) 위에 설치된 제2터빈(30)을 파압으로 회전시키는 것이다. 케이슨(20)은 대략 육면체 형상으로 정면과 저면이 개방되어 있다. 즉 케이슨(20)의 평면, 배면, 좌측면 및 우측면을 제외한 부분은 개방 형성되어 있다. 케이슨(20)의 평면과 배면은 사각형의 평면 플레이트(21)와 배면 플레이트(22)로 대략 직각으로 결합되어 있다. 또한, 케이슨(20) 좌측면과 우측면은 각각 기역(ㄱ)자 형상의 좌측면 플레이트(23)와 우측면 플레이트(24)가 각각 결합되어 있다. 좌측면 플레이트(23)와 우측면 플레이트(24)는 평면 플레이트(21)와 배면 플레이트(22)의 측면에서 일체로 결합된다.
케이슨(20)은 콘크리트로 타설되어 지지구조물(2) 위와 측면에 걸쳐 결합되도록 한다. 즉 좌측면 플레이트(23)와 우측면 플레이트(24) 단부에 형성되는 수평결합부(28)가 지지구조물(2) 상면에 결합되고, 좌측면 플레이트(23)와 우측면 플레이트(24) 단부에 형성되는 수직결합부(29)가 지지구조물(2) 측면에 결합된다. 따라서 케이슨(20)은 지지구조물(2)과 결합되면서 내측에 공간부가 형성된다. 케이슨(20)과 지지구조물(2)의 결합 때에는 결합되는 부위에 기밀을 유지할 수 있도록 하는 것이 좋다.
그리고 케이슨(20)은 지지구조물(2) 측면에 결합되는 저면으로 제1통공(25)이 형성되고, 지지구조물(2) 상면에 결합되는 정면으로 제2통공(26)이 형성된다. 제1통공(25)을 통해서 바닷물이 출입되고, 제2통공(26)은 제1통공(25)에서 바닷물이 출입되면서 형성되는 파압에 의한 공기압이 출입된다.
또한, 도 4 및 도 6에서, 상기 평면 플레이트(21) 아래에는 제1통공(25)으로 출입되는 바닷물에 의하여 형성된 파압에 의한 공기압을 제2터빈(30)으로 유도하는 유도 플레이트(27)가 지지구조물(2)과 일체형 또는 분리형으로 설치될 수 있다. 유도 플레이트(27)는 제1통공(25)으로 바닷물이 출입되면서 형성되는 파압에 의한 공기압이 제2터빈(30)으로 유도될 수 있는 형상이나 모양으로 구성되는 것으로, 유도 플레이트(27)는 파압에 의한 공기압이 제2터빈(30)까지 간섭되지 않고 전달될 수 있도록 완만하게 형성되는 것이 좋다.
지지구조물(2)과 케이슨(20) 사이에는 제2터빈(30)이 제2회전축(31)으로 수직방향으로 결합되어 있고, 케이슨(20)에는 제2회전축(31)이 관통하는 관통공(20a)이 형성되어 있다. 제2터빈(30)은 제1통공(25)에서 출입되는 바닷물에 의하여 형성되는 파압에 의한 공기압이나 제2통공(26)에서 출입되는 공기압에 의하여 한 방향으로만 회전하는 구조로 이루어져 있다. 제2회전축(31)에는 제2터빈(30)에서 발생되는 회전력을 증속시키기 위한 증속기(32)가 장착되고, 증속기(32)에는 발전기(13)가 연결되어 결합된다.
또한, 발전기(13)는 해상에서 부는 바람에 의하여 회전력이 발생되는 제1터빈(10)의 제1회전축(11)이 상부에 연결된다. 제1터빈(10)은 수평축 또는 수직축으로 연결된 풍력터빈이다. 제1터빈(10)은 해상에서 부는 바람에 의하여 한 방향으로만 회전하는 구조로 이루어진 것이 좋다. 제1터빈(10)의 제1회전축(11)에는 증속기(12)가 장착된다.
따라서 발전기(13) 상부로는 제1회전축(11)에 증속기(12)를 거쳐 제1터빈(10)이 연결되고, 발전기(13) 하부로는 제2회전축(31)이 증속기(32)를 거쳐 제2터빈(30)에 연결된다. 발전기(13)는 풍력에 의해 회전하는 제1터빈(10)과 파력에 의해 회전하는 제2터빈(30)의 각 회전에너지를 이용하여 발전한다. 제1터빈(10)과 제2터빈(30)은 상호 반대 방향으로 회전되도록 하는 것이 좋다. 제2터빈(30)은 제1통공(25)으로 출입되는 바닷물에 의하여 형성되는 파압에 의한 공기압으로 회전되거나 제2통공(26)에서 유입된 공기에 의하여 형성되는 공기압으로 회전된다.
도 3에서, 발전기(13)는 제1터빈(10)의 제1회전축(11)에 회전자(14)가 결합되고, 제2터빈(30)의 제2회전축(31)에 고정자(15)가 결합된다. 발전기(13)의 회전자(14)와 고정자(15)는 일정 간격을 두고 설치된다. 회전자(14)에는 코일이 감겨있고 고정자(15)는 마그네트가 구비되어 있어 회전자(14)와 고정자(15)의 회전, 즉 반대방향으로 회전하는 동안 전류가 발생된다. 이때 회전자(14)와 고정자(15) 사이의 회전수가 높을수록 발생되는 전류는 커진다. 또한, 제1터빈(10)의 제1회전축(11)에 고정자(15)가 결합되고, 제2터빈(30)의 제2회전축(31)에 회전자(14)가 결합될 수 있다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치의 작용을 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
제1터빈(10)은 해상에서 부는 바람에 의하여 일정 방향으로 회전되고, 제1터빈(10)의 회전력은 제1회전축(11)을 거쳐 증속기(12)에서 일정 속도이상으로 증속되어 발전기(13)의 회전자(14)를 회전시킨다.
도 7에서, 제2터빈(30)은 지지구조물(2)과 케이슨(20) 사이에 형성되는 파압에 의한 공기압으로 회전된다. 즉 수면에 잠겨 있는 배면 플레이트(22)와 좌측면 플레이트(23) 및 우측면 플레이트(24) 그리고 지지구조물(2) 사이에 형성된 제1통공(25)을 통해 유입된 바닷물이 파랑에 의하여 상하로 유동되면서 케이슨(20) 내에 파압에 의한 공기압이 형성되도록 한다. 케이슨(20)과 지지구조물(2) 사이에서 형성된 파압에 의한 공기압은 유도 플레이트(27)를 따라 제2통공(26)으로 출입된다. 이때, 케이슨(20)과 지지구조물(2) 및 유도 플레이트(27) 사이에 위치한 제2터빈(30)은 파압에 의한 공기압에 의하여 회전력이 발생된다. 즉 케이슨(20)의 제1통공(25)을 통해 유입된 바닷물이 상승하면 케이슨(20) 내에 상승하는 공기압이 형성되어 유도 플레이트(27) 및 제2터빈(30)을 거쳐 제2통공(26)으로 배출되는 동안에 제2터빈(30)에 회전력이 발생된다.
또한, 도 8에서, 케이슨(20)의 제1통공(25)을 통해 유입된 바닷물이 하강하면 케이슨(20) 내부에는 제2통공(26)을 통해 공기를 흡입하는 공기압이 형성되고, 이 공기압은 유도 플레이트(27) 및 제2터빈(30)을 거치는 동안에 제2터빈(30)에 회전력이 발생된다.
따라서 케이슨(20) 내에서 형성되는 승강하는 파압에 의한 공기압에 의하여 제2터빈(30)은 지속적인 회전이 이루어진다. 제2터빈(30)의 회전력은 제2회전축(31)을 따라 증속기(32)로 전달되고, 증속기(32)에서 증속된 후에 발전기(13)의 고정자(15)를 회전시킨다. 발전기(13)는 제1터빈(10)의 회전력에 의하여 회전하는 회전자(14)와 제2터빈(30)의 회전력에 의하여 회전하는 고정자(15)에 의하여 전기에너지를 생성한다. 이때, 제1터빈(10)에 연결된 제1회전축(11)과 제2터빈(30)에 연결된 제2회전축(31)이 상호 반대방향으로 회전하므로 발전기(13)는 더 큰 전기에너지를 생산해낼 수 있다.
더욱이 본 발명의 복합 발전 장치는 해상에서 부는 바람이 약할 때에는 파랑에 의하여 제2터빈이 회전되고, 해상에서 부는 바람이 강하고 파랑이 약한 경우에는 제1터빈이 회전되도록 상호 보완작용도 할 수 있다. 바람직하게는 제1터빈(10)과 제2터빈(30)이 각각 풍력과 파랑의 영향을 동시에 받을 경우에는 발전기(13)의 발전 효율을 극대화시킬 수 있을 것이다.
이와 같이 본 발명의 해상에서 부는 바람에너지에 의한 풍력 발전과 해수면에서 발생되는 파랑에너지에 의한 파력 발전을 복합적으로 결합하여 발전효율을 극대화시킬 수 있어 해상재생에너지원의 이용효율을 제고한 장점이 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1: 기초지반 2: 지지구조물 10: 제1터빈 11: 제1회전축 12, 32: 증속기 13: 발전기 14: 회전자 15: 고정자 20: 케이슨 21: 평면 플레이트 22: 배면 플레이트 23: 좌측면 플레이트 24: 우측면 플레이트 25: 제1통공 26: 제2통공 27: 유도 플레이트 28: 수평결합부 29: 수직결합부 30: 제2터빈 31: 제2회전축

Claims (6)

  1. 해저 바닥으로부터 일정 높이로 설치된 기초지반 위에 수면 이상으로 설치되는 지지구조물;
    상기 지지구조물 위에 설치되어 파랑에 의한 파압을 형성하여 지지구조물 위에 설치된 제2터빈을 파압에 의한 공기압으로 회전시키는 케이슨, 및
    해상에서 부는 바람에 의하여 회전력이 발생되는 제1터빈의 회전축이 상부에서 연결되고, 상기 제2터빈의 회전축이 하부에서 연결되어 제1터빈과 제2터빈의 회전에너지로 발전하는 발전기를 포함하여 이루어진 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 케이슨은 정면과 저면이 개방된 육면체 형상이되, 평면과 배면은 사각형의 플레이트 형상이고, 좌측면과 우측면은 기역(ㄱ)자형 플레이트 형상이며, 좌측면 및 우측면 플레이트에 지지구조물 상면과 측면에서 각각 결합되는 수평결합부와 수직결합부가 형성되고, 지지구조물 측면에 결합되는 저면으로 제1통공이 형성되고, 지지구조물 상면에 결합되는 정면으로 제2통공이 형성된 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 평면 플레이트 아래에 제1통공으로 출입되는 바닷물에 의하여 형성된 파압을 제2터빈으로 유도하는 유도 플레이트가 지지구조물과 일체형 또는 분리형으로 설치된 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2터빈은 제1통공으로 출입되는 바닷물에 의하여 형성되는 파압으로 회전되거나 제2통공에서 유입된 공기에 의하여 형성되는 공기압으로 회전되는 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치.
  5. 제1항에 있어서, 제1터빈의 회전축과 제2터빈의 회전축에 회전속도를 증가시키는 증속기가 각각 설치된 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1터빈과 연결된 회전축에 발전기의 회전자가 결합되고 제2터빈과 연결된 회전축에 발전기의 고정자가 결합되며, 발전기의 회전자와 고정자는 상호 반대방향으로 회전하는 풍력과 파력을 이용한 복합 발전 장치.
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