KR20230009662A - 선박 및 부유체 탑재 발전 장치 - Google Patents

선박 및 부유체 탑재 발전 장치 Download PDF

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류기수
최봉강
남수진
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(주)에이블이엔씨
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Abstract

본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전 장치는, 유동수가 저장된 복수의 유동수 탱크;상기 복수의 유동수 탱크에 연결되어 파도에 의한 선박 또는 부유체의 흔들림에 의해 높아진 고도에 위치한 유동수 탱크들에서 유입된 유동수에 의해 터빈 러너가 회전하면서 구동되는 발전기; 및 상기 터빈 러너를 회전시킨 유동수가 상기 선박의 흔들림에 의해 낮아진 고도에 위치한 유동수 탱크들로 유입되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박 및 부유체 탑재 발전 장치{Power plant on ship or floating structure}
본 발명은 선박 및 부유체 탑재 발전 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 파도에 의해 선박 및 부유체가 흔들리는 경우 흔들림에 의해 발생하는 유동수의 움직임을 이용한 선박 및 부유체 탑재 발전 장치에 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.
한편, 최근들어 온실가스 배출의 제한 등 환경적인 문제로 윈유를 사용하고 전기를 동력으로 하는 법규가 전세계적으로 제정되고 있다. 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.
모터를 이용한 선박의 경우, 에너지 절감을 위해 경량화가 필수적인데, 최근에는 경량화를 위해 알루미늄 선박에 대한 연구가 많이 진행 중이다.
그리고 배터리의 충전 효율을 높이고, 태양광이나 풍력, 파력 등을 이용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
대한민국 등록특허 10-1255728호, 선박용 파력 발전기는 선박의 항행중 또는 조업중에 파력을 이용하여 전력을 생성하여 상용전력과 내연기관을 병용하는 하이브리드형 전기선을 구현할 수 있는 선박용 파력발전기를 개시하고 있다.
종래의 선박용 파력 발전기는 파도가 치면 터빈을 돌려 전력을 생산하게 된다. 그리고 선박에 고정되어 파력을 받을 때, 수중 터빈을 넣고 올리고 하는 추가 작업이 필요하고, 저항을 많이 받아 선박 추진 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
(01) 대한민국 공개 특허 제10-1255728호, 선박용 파력 발전기, 등록일 : 2013.04.11
본 발명은 선박 또는 부유체 내에 복수의 유동수 탱크를 배치하여 유동수의 움직임에 의해 전력을 생산할 수 있는 선박 및 부유체 탑재 발전 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전 장치는 유동수가 저장된 복수의 유동수 탱크;상기 복수의 유동수 탱크에 연결되어 파도에 의한 선박 또는 부유체의 흔들림에 의해 높아진 고도에 위치한 유동수 탱크들에서 유입된 유동수에 의해 터빈 러너가 회전하면서 구동되는 발전기; 및 상기 터빈 러너를 회전시킨 유동수가 상기 선박 또는 부유체의 흔들림에 의해 낮아진 고도에 위치한 유동수 탱크들로 유입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 복수의 유동수 탱크는 선박 또는 부유체의 양쪽 측면에 배치된 제1유동수 탱크와 제2유동수 탱크를 포함하고, 선박이 흔들릴 때 제1유동수 탱크 및 제2 유동수 탱크 내부의 유동수가 상호 이동 가능하도록 파이프를 통해 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 유동수 탱크에 연결되고, 통수구가 하부 및 상부로 분기되는 제1 파이프; 상기 제2 유동수 탱크에 연결되고, 통수구가 하부 및 상부로 분기되는 제2 파이프; 상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 상부 통수구에 연결되는 상부 매니폴드; 상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 하부 통수구에 연결되는 하부매니폴드; 상기 상부 매니폴드에 연결되어 상기 상부 매니폴드에서 하부 매니폴드로 흐르는 유동수에 의해 회전하는 터빈; 상기 터빈에 연결되어 전기를 생산하는 발전기; 및 상기 터빈을 거친 유동수를 상기 하부 매니폴드로 유입되도록 하는 배수관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 통수구에 형성된 체크 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 터빈에는 유동수에 포함된 공기를 배출하는 에어 벤트 튜브가 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 유동수를 이용하여 전력을 생산함으로써 선박 또는 부유체가 정박 중에도 전력을 생산할 수 있다.
또한, 파도의 움직임을 회전운동으로 변환시키는 과정에 참여하는 구동부품의 수가 적어 구조가 간단하여 유지 보수에 필요한 시간과 비용을 최소화할 수 있다.
또한, 선박 또는 부유체의 외부에 노출 또는 돌출된 부분이 없어 항행 시 추가적인 저항의 발생이 없으며,외부 물체와의 충돌로 인한 파손의 우려도 없다.
도 1은 본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전 장치가 선박에 배치되는 예를 나타낸 것으로, 도 1a는 평면배치도를 나타낸 것이고, 도 1b는 측면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전 장치의 구성도를 나타낸 것이다.
도 3 및 도4는 유동수가 이동하는 파이프 및 발전기의 상세도로, 도 3은 정면도를 나타낸 것이고, 도 4는 사시도를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전 장치가 선박에 배치되는 예를 나타낸 것으로, 도 1a는 평면 배치도를 나타낸 것이고, 도1b는 측면도를 나타낸 것이다. 도2는 본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전장치의 구성도를 나타낸 것이고, 도3 및 도4는 도 1과 같이 4개의 유동수 탱크를 가지는 선박 및 부유체 탑재 발전장치 중 파이프로부터 발전기까지를 포함하는 부분의 상세도이다.
본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전 장치는 네 개의 유동수 탱크가 선박의 선수 및 선미의 양쪽 사이드에 배치되고, 발전기가 이들 사이의 중앙에 배치된다. 본 실시 예에서처럼 유동수 탱크와 발전기는 선박 내부의 갑판에 배치될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전장치가 설치될 선박 또는 부유체의 크기와 구조에 따라 갑판 아래를 비롯하여 해당 구조물의 내부에 다양한 배치가 가능하다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결할 수 있다.
제1 유동수 탱크(110)와 제2 유동수 탱크(120) 유동수가 선박의 양쪽 측면에 각각 배치되어 있다.
제1 유동수 탱크(110)와 제2 유동수 탱크(120)는 선수와 선미에 각각 2개 배치될 수 있다. 즉, 제1유동수 탱크(110)는 제1 선수 유동수 탱크(111)와 제1 선미 유동수 탱크(112)를 포함하고, 제2 유동수 탱크(120)는 제2 선수 유동수 탱크(121)와 제2 선미 유동수 탱크(122)를 포함한다.
제1 유동수 탱크(110)와 제2 유동수 탱크(120)는 파이프(300)를 통해 연결되어 유동수가 상호 이동할 수 있다. 따라서 파도에 선박이 좌우 폭 방향으로 흔들리는 롤링의 경우 제1 유동수 탱크(110)의 유동수가 제2 유동수 탱크(120)로 이동하거나, 제2 유동수 탱크(120)의 유동수가 제1 유동수 탱크(110)로 이동할 수 있다. 선박이 길이방향으로 흔들리는 피칭의 경우 제1, 2 선수 유동수 탱크(111, 121)의 유동수가 제1, 2 선미 유동수 탱크(112, 122)로 이동하거나 또는 그 반대로 이동할 수 있다.
선박의 좌우 흔들림 즉, 롤링이 발생해 제1 유동수 탱크(110)와 제2 유동수 탱크(120) 중 어느 하나의 수위가 높아지면, 수위가 높은 유동수 탱크에서 수위가 낮은 유동수 탱크로 유동수가 흐르게 되고, 그 사이에 배치된 발전기(200)의 터빈을 돌려 전력을 생산하게 된다.
유동수 탱크와 발전기는 파이프로 연결되고, 파이프는 분기되어 상부 매니폴드와 하부 매니폴드에 연결된다.
피칭이 발생한 경우 높은 곳 있는 유동수 탱크(100)의 유동수가 상부 매니폴드(310)를 거쳐 터빈 케이싱(210)으로 들어가면 케이싱 내부의 경로를 통해 수직으로 하강하며 회전하는 흐름을 만들어 내부에 설치된 터빈 러너(미도시)를 돌리게 되고, 떨어진 물은 덕트(230)를 거쳐 하부 매니폴드(320)로 유입되고 다시 낮은 곳에 있는 유동수 탱크(100)로 유입된다. 이러한 프로세스로 유동수가 순환하면서 전력을 생산할 수 있다. 상기 발전기(200)는 발전부(220), 터빈(212), 및 덕트(230)를 포함할 수 있으며, 롤링의 경우도 동일한 경과로 진행된다.
유동수 탱크 및 발전기의 구조를 보다 상세히 살펴보면, 상기 제1 유동수 탱크(110)에 연결되고, 통수구가 하부 및 상부로 분기되는 제1 파이프(301), 상기 제2 유동수 탱크(120)에 연결되고, 통수구가 하부 및 상부로 분기되는 제2 파이프(302), 상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 상부 통수구에 연결되는 상부 매니폴드(310), 상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 하부 통수구에 연결되는 하부 매니폴드(320)를 포함한다.
상기 파이프(301, 302) 와 매니폴드(310, 320) 사이에는 체크밸브(305)가 설치될 수 있다. 체크밸브(305)를 설치함으로써 발전에 필요한 방향으로만 유동수가 흐르도록 제어할 수 있다.
상기 상부 매니폴드(310)와 하부 매니폴드(320) 사이에 발전기(200)가 배치되어 상부 매니폴드(310)와 연결된 터빈 케이싱(210)에서 하부 매니폴드(320)와 연결된 덕트(230)로 유동수가 낙하하면서 내부의 터빈 러너를 돌려 발전부(220)를 동작시키게 된다.
상기 발전기(200)는 상기 상부 매니폴드(310)에 연결되어 상기 상부 매니폴드에서 하부 매니폴드로 흐르는 유동수에 의해 회전하는 터빈(210), 상기 터빈에 연결되어 전기를 생산하는 발전부(220), 및 상기 터빈을 거친 유동수를 상기 하부 매니폴드로 유입되도록 하는 배수관(230)을 포함할 수 있다. 상기 터빈(210)에는 터빈 러너가 장착되어 있다. 따라서 유동수가 낙하하면서 터빈 러너를 회전시키게 되고 터빈이 동작하게 된다. 터빈 및 발전기는 공지의 터빈과 발전기를 사용할 수 있으므로 상세 설명은 생략하기로 한다.
상기 터빈(210)에는 공기 배출 수단으로서 에어 벤트 튜브(212, air bent tube)가 연결될 수 있다. 상기 에어 벤트 튜브를 연결함으로써 유동수에 녹아있다 배출되는 기체 성분 또는 빠른 속도로 회전하는 러너의 뒷면에서 발생할 수 있는 캐비테이션 등에 의해 발생하는 기포 등을 별도의 조작 없이 실시간으로 배출하여 유동수의 흐름을 방해할 수 있는 공기층의 형성을 방지할 수 있다.
상기 덕트(230)에는 유지 보수 등을 위해 유동수를 배출하기 위한 드레인 밸브(232)가 결합될 수 있다.
상기 발전기 및 파이프는 선박 및 부유체에 고정되는 지지프레임에 고정될 수 있다.
상기 지지프레임 상에는 상기 터빈(210)을 지지하는 제1 플레이트(211) 및 발전부(220)를 지지하는 제2 플레이트(221)가 결합될 수 있다.
상기 제1 플레이트(211)와 제2 플레이트(221)는 지지대에 의해 소정 간격으로 이격되어 형성된다.
상기와 같은 구성에 의해 선박의 전후좌우측에 배치된 유동수 탱크내의 유동수가 이동하면서 발전기를 동작시켜 전력을 생산할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박 및 부유체 탑재 발전장치의 동작에 대해 살펴본다.
먼저, 선박 및 부유체의 전후좌우에 배치되어 있는 각각의 유동수 탱크에 유동수를 채운다. 유동수는 선박의 롤링 및 피칭 시에 기울어지면서 낮은 곳의 유동수 탱크로 이동해야 하므로 탱크 용량의 절반 이상 채우지 않도록 한다.
제1 유동수 탱크의 수위가 높다고 하면, 제1 유동수 탱크에 연결된 제1 파이프를 통해 유동수가 흘러 상부 매니폴드로 유입된다. 이때 제1 파이프와 연결된 상부 매니폴드의 체크밸브는 개방되고, 하부 매니폴드의 체크밸브는 폐쇄된다. 상부 매니폴드로 유입된 유동수는 발전기로 유입되어 낙하하면서 터빈의 프로펠러를 회전시킨다. 터빈의 프로펠러가 돌아가면서 발전부가 동작하게 되면서 전기를 생산하게 된다. 생산된 전기는 별도의 컨트롤러를 통해 별도의 축전지(미도시)에 저장될 수 있다. 프로펠러를 회전시킨 유동수는 덕트를 통해 하부 매니폴더를 거쳐 제2 파이프로 유입되어 제2 유동수 탱크에 저장된다. 이때 제2파이프와 연결된 상부 매니폴드의 체크 밸브는 폐쇄되고 하부 매니폴드에 연결된 체크밸브는 개방된다.
이렇게 발생된 전기에너지는 축전지에 저장되게 된다. 따라서 종래의 정선 시 시동 축전지 방전되어 표류되던 소형보트에서 전기부족 문제를 해결할 수 있다. 정선 시 뿐만 아니라 운항 시에도 파도의 일렁임이 있으므로 운항 시에도 전기를 생산할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 유동수 탱크
110 : 제1 유동수 탱크
120 : 제2 유동수 탱크
200 : 발전기
210 : 터빈
212 : 에어 벤트 튜브
220 : 발전부
230 : 덕트
232 : 드레인 밸브
300 : 파이프
310 : 상부 매니폴드
320 : 하부 매니폴드

Claims (5)

  1. 유동수가 저장된 복수의 유동수 탱크;
    상기 복수의 유동수 탱크에 연결되어 파도에 의한 선박 또는 부유체의 흔들림에 의해 높아진 고도에 위치한 유동수 탱크들에서 유입된 유동수에 의해 터빈 러너가 회전하면서 구동되는 발전기; 및
    상기 터빈 러너를 회전시킨 유동수가 상기 선박 또는 부유체의 흔들림에 의해 낮아진 고도에 위치한 유동수 탱크들로 유입되는 것을 특징으로 하는 선박 및 부유체 탑재 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 유동수 탱크는 선박 또는 부유체의 양쪽 측면에 배치된 제1유동수 탱크와 제2유동수 탱크를 포함하고,선박이 흔들릴 때 제1유동수 탱크 및 제2 유동수 탱크 내부의 유동수가 상호 이동 가능하도록 파이프를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 선박 및 부유체 탑재 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 유동수 탱크에 연결되고, 통수구가 하부 및 상부로 분기되는 제1 파이프;
    상기 제2 유동수 탱크에 연결되고, 통수구가 하부 및 상부로 분기되는 제2 파이프;
    상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 상부 통수구에 연결되는 상부 매니폴드;
    상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 하부 통수구에 연결되는 하부 매니폴드;
    상기 상부 매니폴드에 연결되어 상기 상부 매니폴드에서 하부 매니폴드로 흐르는 유동수에 의해 회전하는 터빈;
    상기 터빈에 연결되어 전기를 생산하는 발전기; 및
    상기 터빈을 거친 유동수를 상기 하부 매니폴드로 유입되도록 하는 배수관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 및 부유체 탑재 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 파이프 및 제2 파이프의 통수구에 형성된 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 및 부유체 탑재 발전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 터빈에는 유동수에 포함된 공기를 배출하는 에어벤트 튜브가 연결된 것을 특징으로 하는 선박 및 부유체 탑재 발전 장치.
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