KR20180027282A - 부유식 브릿지형 조류발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 브릿지형 조류발전장치에 관한 것으로, 부유체에 전력을 생산하는 조류발전장치를 구비하고, 그 하단에 조류 방향에 따라 회전하는 방향키를 구비하고, 부유체를 다수개로 연결 가능하도록 블록화시켜 조류의 흐름에 따라 효율적으로 설치하도록 하는데 그 목적이 있다.

Description

부유식 브릿지형 조류발전장치 {SUBSEA FLOATING TIDAL GENERATOR}

본 발명은 방향키를 구비하고, 다수개의 조류발전기를 연결 가능하도록 블록으로 구성하고, 부유체의 모통이를 로프로 연결하여 해저면의 앵커에 고정하도록 하는 부유식 브릿지형 조류발전기에 관한 것이다.

일반적으로 전기를 생산하기 위하여, 화력, 원자력, 수력을 이용한 발전소를 주축을 이루고 있다. 이러한, 발전방식은 공해문제, 방사선에 의한 위험노출, 폐기물처리 등의 추가 비용이 발생, 막대한 시설비 투자 등의 문제점이 많다.

따라서, 최근에는 환경오염을 방지할 뿐만 아니라, 친환경적으로 저렴한 비용으로 고효율의 전력을 생산하려는 기술들이 개발되고 있다. 특히, 천연자원 활용을 위한 그린에너지로, 태양열, 풍력, 해양 에너지 등에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.

특히, 해양에너지의 경우 조석, 조류, 해류, 파랑, 해상풍, 수온차 등이 있지만, 그 중에서 조석현상이 우세한 우리나라 서ㅇ남해 연안에서 이용 가능한 해양에너지원 중 하나가 조류이다. 해수의 위치에너지인 조차를 이용하는 조력발전과 달리 조류발전은 해수의 유동에 의한 운동에너지를 이용하여 수차를 구동하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로써 해수의 유속이 빠른 지역에 적용가능하며, 조류를 이용할 경우 계절에 관계없이 발전 예측이 가능하고, 해수의 흐름으로 수차를 돌려 발전을 하므로, 대규모 건설이 필요 없다는 점에서 보다 환경 친화적이다. 또한 조류는 해수의 밀도가 공기보다 840배 더 크다는 점에서 상대적으로 작은 수차를 사용하더라도 날씨에 민감한 풍력보다 더 큰 에너지를 생산할 수 있는 이점이 있다.

또한, 조류 발전은 고갈되지 않는 무한의 청정에너지를 이용하는 무공해 발전으로, 조석현상은 장기간 정확한 사전예보가 가능하므로 다른 신재생에너지원보다 발전 출력의 장기예측 가능하여 출력 변동 폭을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전력계통내 조정이 용이하고 지속적인 전력공급 가능 한 장점이 있다.

도 1은 종래기에 따른 고정식 해류발전 부상 및 하강 장치를 보인 정면도로서, 고정식 해류발전 부상 및 하강 장치는 해류발전장치(100)를 수중에 설치하되, 해수면에 부유되는 부유체(110)가 구비된다. 상기 부유체(110)의 하부에 소정의 간격으로 이격되게 하여 수중에 설치되되, 부유체(110)와 고정부재(112)에 의해 연결되어 수중에 위치되도록 하여 해류의 방향에 따라 회전하는 작동부(210)가 구비된다.

상기 작동부(210)는 원통형상으로 형성되고, 길이 방향 중앙부에는 걸림턱(212a)이 형성되며, 이 걸림턱(212a)의 하단부 원주방향으로 다수개의 회전체(214)가 구비되고, 상기 부유체(110)의 고정부재(112)가 상단부에 연결되는 회전축(212)이 구비된다.

상기 회전축(212)의 하단부, 즉 상기 걸림턱(212a)의 하부회전체(214)가 구비된 회전축(212)의 하단부가 체결되게 내측에 체결공(216a)이 형성되어 걸림턱(212a)의 하부에 밀착되게 체결 고정되는 지지부재(216)가 구비되고, 이 지지부재(216)의 하단부에는 지지판(218)이 구비된다.

상기 작동부(210)의 전면에 설치되어 유속에 의해 동력을 생산하는 동력발생부(310)가 구비된다.

상기 동력발생부(310)는 작동부(210)의 회전축(212) 전면 상부에 고정되는 발전기(312)가 구비된다.

상기 발전기(312)와 연결되게 전방에 설치되어 유속에 의해 회전하여 발전기(312)에서 동력이 생산되도록 하는 프로펠러(314)가 구비된다.

상기 회전축(212)의 후방, 즉 동력발생부(310)가 구비된 타측부에는 부유체(110)와 에어호스(414)로 서로 연통되게 연결되고 하부에는 해수가 배출되는 배출구(412)가 구비되어 해류발전장치(100)의 유지 보수시에 해류발전장치를 수면위로 떠오르도록 하는 부력탱크(410)가 구비된다.

여기서, 상기 에어호스(414)에는 밸브(416)와 에어주입구(418)가 구비된다.

즉, 상기 부유체(110)에 체결된 방향의 에어호스(414)를 연장형성하고, 이 연장된 에어호스(414)에는 에어주입구(418)로 주입된 에어를 단속하는 밸브(416)가 구비된다.

이와 같은 종래기술에 따른 고정식 해류발전 부상 및 하강 장치는 해류발전장치 전체가 수중에 잠기도록 설치됨으로써, 수면 근방에서 가장 크게 작용하는 파력이나 유체저항을 줄일 수 있어 해류발전장치의 파손을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

그런데, 종래기술에 따른 고정식 해류발전 부상 및 하강 장치는 블레이드의 방향이 고정되어 있어, 조류의 흐름이 변할 때, 이를 반영하지 못하여 조류가 블레이드에 정면으로 흐를 때 외에는 효율이 떨어지는 문제점이 있었고, 조력발전기 설치시 그 용량이 결정되어 설치되므로, 조류는 그 위치에 따라 세기 또는 범위가 다양한데, 이에 대하여 보다 효율적인 설치가 어려운 문제점이 있었다.

1. 국내특허공개 제10-2010-0004619호 (공개일 2010년01월13일) 2. 국내특허등록 제10-0883766호 (공고일 2009년02월12일)

본 발명은 종래기술에 따른 문제점을 개선하기 위하여, 부유체에 전력을 생산하는 조류발전장치를 구비하고, 그 하단에 조류 방향에 따라 회전하는 방향키를 구비하고, 부유체를 다수개로 연결 가능하도록 블록화시켜 조류의 흐름에 따라 효율적으로 설치하도록 하는 부유식 브릿지형 조류발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 부유식 브릿지형 조류발전장치는 수면 또는 수면으로부터 일정 깊이에서 조류를 이용한 부유식 브릿지형 조류발전장치에 있어서, 조류발전장치를 수면에 부유시키는 부유체; 상기 부유체의 하단에 고정되어 해류에 따라 회전하는 블레이드; 상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 조류발전터빈; 및 상기 조류발전터빈 및 블레이드를 해류의 흐름에 따라 방향을 조절하는 방향키;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 부유체는 각 모서리에 로프연결부; 및 상기 로프연결부를 통해 연결된 해저면의 앵커와 연결된 로프;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 부유식 브릿지형 조류발전장치는 대형 크레인과 같은 장비가 없이도 인력으로 설치가 가능한 소형 15kW급 시스템부터 우선 상용화 하고, 향후 기술을 축척하여 시스템을 업그레이드 한 후 태양광과 풍력과 같은 타 신재생에너지와 융복합 하이브리드 시스템으로도 진화 응용이 가능하다.

또한, 다수 개의 조류발전장치를 횡렬로 연결하여 조류 환경에 따라, 추가할 수 있어, 발전용량을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 밀물과 썰물의 방향에 따라 자동으로 회전하는 방향키로 인하여 블레이드가 최적의 효율을 낼 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 또한, 15kW급 조류에너지 발전 시스템을 개발하여 상용화하면 생산 예측이 가능한 조류에너지를 사용함으로써, 위와 같은 에너지 자립 섬을 구축하는데 필요한 기반 기술로 활용하여 전체적인 비용 절감 효과를 기대 할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 고정식 해류발전 부상 및 하강 장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 브릿지형 조류발전장치의 전체 구성도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조류발전장치를 횡렬로 연결한 상태의 실시예를 보인 도이다.

본 발명의 실시예에 따른 부유식 브릿지형 조류발전장치를 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 브릿지형 조류발전장치의 전체 구성도로서, 조류발전장치(600)을 수면에 부유시키는 부유체(610)와, 상기 부유체(610)의 하단에 고정되어 해류에 따라 회전하는 블레이드(622)와, 상기 블레이드(622)의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 조류발전터빈(621)와, 상기 조류발전터빈(621) 및 블레이드(622)를 해류의 흐름에 따라 방향을 조절하는 방향키(623)와, 상기 부유체(610)의 각 모서리에 구비된 각각의 로프연결부(611)와, 상기 각 로프연결부(611)을 통해 연결된 해저면의 앵커(도면에 미도시)와 연결된 각 로프(612)와, 상기 부유체(610)의 중간에 조류발전기(620)을 삽입하는 삽입홈(613)로 구성된다.

여기서 블레이드(622)는 직경 3.5m이고, 수차 회전 속도 50rpm이고, 영구자석 발전기 회전속도 200rpm로 함이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

조류발전이란 지구의 자전 및 태양과 달의 인력에 기인하는 해수면의 상승/ 하강 운동인 조석현상에 의하여 발생하는 해수의 유동에너지를 조류터빈을 이용하여 수차발전기를 가동시켜 발전하는 방식을 말한다. 원리상 풍력발전과 같이 유체의 운동에너지로 수차를 회전시켜 발전하며, 특히 조류 발전은 조석이 예측 가능한 현상으로 정확한 발전량 예측이 가능하여 생산전력의 안정화 가능 해수밀도가 840배가 높아 에너지 이용률이 40% 수준으로 높아서 풍력 대비 같은 시설용량인 경우 조류 수차의 크기가 훨씬 작다.

여기서, 조석현상이란 달ㅇ태양 등 천체의 인력작용으로 해수면이 1일 2회 주기적으로 오르내리는 현상을 말한다. 태양과 달 지구가 일직선상에 위치할 때를 사리(대조)라 하며, 태양과 달이 직각을 이루는 때를 조금(소조)이라고 한다.

상기 에너지 이용률(CF, Capacity Factor)은 "(발전시스템에 의한 에너지 발전량)/(조류에너지)"로 산출된다.

또한, 조류 발전은 고갈되지 않는 무한의 청정에너지를 이용하는 무공해 발전으로, 조석현상은 장기간 정확한 사전예보가 가능하므로 다른 신재생에너지원보다 발전 출력의 장기예측 가능하여 출력 변동 폭을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전력계통내 조정이 용이하고 지속적인 전력공급 가능 한 장점이 있다.

조류 흐름의 방향이 정확하게 6시간 단위로 바뀌기 때문에 그에 따른 발전장치 설치 기술이 별도로 요구된다.

해류의 빠른 유속은 통상 1.5m/s 이상으로 큰 속도에너지를 가지며 이 속도운동에너지를 블레이드(터빈 날개)의 회전기계 에너지로 바꾸고 여기에 발전기 축을 연결해 발전을 하는 것이 조류발전 원리다. 핵심기술은 조류발전량 타당성 조사, 고효율 터빈블레이드 설계 및 제조 기술, 전력망 연결 제어기술 등이다.

여기서, 조류발전기(620)에서 입력된 전력을 배터리로 충전하기 위한 컨버터(도면에 미도시)가 필요하며, 조류발전기(620)의 가변된 입력 전력을 배터리 충전전압에 맞추기 위하여 부스트 토폴로지(Boost Topology)를 적용하며, 컨버터 제어방식으로는 전압값을 보면서 제어하게 된다.

인버터는 배터리 전력을 AC로 변환하여 부하 및 계통연계 할 수 있도록 구성되는데, 전체적인 풀 브릿지 토폴로지(Full Bridge Topology)를 적용하고, 인버터 제어방식으로 Space Vector 제어 방식 적용한다.

이와 같이 조류발전은 해류의 흐름 방향이 6시간 단위로 바뀌며, 빠른 유속, 통상 1.5m/s이상은 큰 속도에너지를 가지며, 이러한 속도운동 에너지를 블레이드(622)의 회전기계 에너지로 바꾸고, 여기에 조류발전터빈(621)의 축을 연결해 전기에너지로 바꾸게 된다.

여기서, 단위 시간당 조류에너지(E) 및 한 조석 주기당 발전전력 P(W)는 다음 수학식 1에 의해 산출된다.

여기서 해수밀도 ρ =1.025kg/m3, A = 통수면적(m2), V = 조류유속(m/s2), η = 발전용 수차발전기의 효율이다.

따라서 조류발전은 유속에 크게 좌우하며 조류 수차의 효율을 증가시키기 위한 연구가 조류발전의 실용화를 위한 주요 연구 목표가 된다.

이와 같은 조류발전을 위한 본 발명의 실시예에 따른 조류발전장치(600)은 부유체(610)의 하단에 조류발전터빈(621), 블레이드(622) 및 방향키(623)을 포함한 조류발전기(620)을 고정한다.

상기 부유체(610)과 조류발전기(620)의 고정방식은 상기 부유체(610)의 측면 삽입홈(613)을 통해 조류발전기(620)의 지지대(124)를 삽입한다.

상기 부유체(610)의 각 사면 모서리는 로프연결부(611)을 구비하여 로프연결부(611)에 로프(612)를 연결하고, 그 하단은 해저면의 앵커(닻)에 연결하여 고정하므로, 부유체(610)이 해수면의 일정 깊이를 유지하도록 하며, 해류에 떠다니지 않도록 그 위치를 고정한다.

상기 조류발전기(620)은 지지대(124) 하단에 조류발전터빈(621)이 고정되고, 상기 조류발전터빈(621)의 회전축에 블레이드(622)가 고정된다.

상기 조류발전터빈(621)의 후단에는 방향키(623)이 고정되어, 해류의 방향에 따라 회전되어, 상기 블레이드(622)가 해류의 정면으로 향하도록 하므로, 최적의 발전효율을 내도록 한다.

상기 방향키(623)에 의하여 상기 조류발전기(620)이 회전함에 따라 해류가 밀물뿐만 아니라, 썰물 때에도 동일하게 발전이 가능하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다수개의 조류발전장치(600)을 횡렬로 연결한 구성도로서, 조류발전장치(600)을 설치하는 해류의 조건에 따라, 다수 개를 횡렬로 연결하여 발전용량을 증가시키게 된다.

즉, 본 발명에 따른 조류발전장치(600)은 유속이 1m/s 내외인 흐름에서도 발전이 가능하며, 유속이 2m/s 이상 되어야 조류발전장치의 경제성이 있는데, 해협이나 수도(육지와 육지 사이에 끼어있는 해역)는 조류가 강하며, 이와 같은 곳에서는 다수개의 조류발전장치(600)를 연결하여 발전 용량을 증가시킬 수 있다.

상기 다수개의 조류발전장치(600~603)은 횡렬로 연결하는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 좌,우 횡대 및 상,하로 연결 고정하여 발전용량을 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 조류발전장치(600)는 15kW 소형이나, 유속이 강하고, 그 범위가 넓은 지역에서는 10개의 조류발전장치(600)을 좌,우로 배열하고, 상,하 10열로 배열할 경우 100개의 조류발전장치(600)이 동시에 발전할 경우 1,500kW 용량의 발전장치로 조합이 가능하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부유식 브릿지형 조류발전장치에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

600 ~ 603 : 조력발전장치 610 : 부유체
611 : 로프연결부 612 : 로프
620 : 조류발전기 621 : 조류발전터빈
622 : 블레이드 623 : 방향키

Claims (4)

1. 수면 또는 수면으로부터 일정 깊이에서 조류를 이용한 부유식 브릿지형 조류발전장치에 있어서,
   조류발전장치를 수면에 부유시키는 부유체;
   상기 부유체의 하단에 고정되어 해류에 따라 회전하는 블레이드;
   상기 블레이드의 회전력을 전기에너지로 변환시키는 조류발전터빈;
   상기 조류발전터빈 및 블레이드를 해류의 흐름에 따라 방향을 조절하는 방향키;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 부유식 브릿지형 조류발전장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조류발전장치는 다수 개를 횡렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 부유식 브릿지형 조류발전장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 부유체는 각 모서리에 로프연결부; 및
   상기 로프연결부를 통해 연결된 해저면의 앵커와 연결된 로프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 브릿지형 조류발전장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 부유체는 그 중간에 조류발전기를 삽입하는 삽입홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 브릿지형 조류발전장치.

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