KR20230091074A - 삭도(索道) 운행식 조류발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바다의 조류에너지로 전력을 생산하는 삭도(cableway) 운행식 조류발전 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 넓은 조류차단막(04)을 갖춘 발전선체(03)가 계류형 부표(06)에 결속한 삭도의 케이블(01)을 따라 떠밀려가면 케이블(01)이 감긴 발전기(02)의 풀리(05)가 회전하여 전력을 생산하도록 함으로써, 밀물과 썰물의 양방향 조류에너지를 조류차단막(04)의 정면에서 고스란히 수용하여 저유속의 조류(0.5m/sec 이하)에서도 고효율로 대량의 전력을 생산할 수 있고, 수차를 사용하지 않으므로 종래의 수차식 조류발전처럼 날개에 그물, 해조류, 어구 등의 해양쓰레기가 수차에 엉키고 감기는 고장의 염려가 없으며, 발전설비가 부유식으로 구성되어 설치 및 이동, 수리가 쉽게 한 것을 특징으로 하는 삭도 운행식 조류발전시스템에 관한 것이다.

Description

삭도(索道) 운행식 조류발전 시스템 {Cableway driven type tidal current power generation system}
본 발명은 바다의 조류에너지로 전력을 생산하는 삭도(cableway) 운행식 조류발전 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 넓은 조류차단막(04)을 갖춘 발전선체(03)가 계류형 부표(06)에 결속한 삭도의 케이블(01)을 따라 떠밀려가면 케이블(01)이 감긴 발전기(02)의 풀리(05)가 회전하여 전력을 생산하도록 함으로써, 밀물과 썰물의 양방향 조류에너지를 조류차단막(04)의 정면에서 고스란히 수용하여 저유속의 조류(0.5m/sec 이하)에서도 고효율로 대량의 전력을 생산할 수 있고, 수차를 사용하지 않으므로 종래의 수차식 조류발전처럼 날개에 그물, 해조류, 어구 등의 해양쓰레기가 수차에 엉키고 감기는 고장의 염려가 없으며, 발전설비가 부유식으로 구성되어 설치 및 이동, 수리가 쉽게 한 것을 특징으로 하는 삭도 운행식 조류발전시스템에 관한 것이다.
최근에는 기후위기를 극복하기 위하여 친환경 녹색에너지인 풍력, 태양광, 조력, 등의 자연력을 이용한 발전이 주목받고 있다. 그러나 풍력발전과 태양광 발전은 설치지역의 환경과 날씨의 변화에 따른 불규칙한 전력공급 문제, 댐을 이용하는 조력발전은 입지 조건의 한계와 많은 건설비가 소요되는 등의 문제점이 있었다.
전 세계의 풍력, 태양광에너지를 합한 발전량 규모는 1TWh에 불과하지만 해양에너지의 부존량은 82,950TWh(IMO 자료)에 이르므로 이를 이용하는 조류발전이 활성화 되면 기후위기를 극복하는 데 큰 도움이 될 것이다.
대표적인 조류발전 방식으로는 발전장치가 내장된 타워형 구조물을 바다에 설치하는 방식, 프로펠러식 블레이드를 내장한 구조물을 해저 또는 해중에 설치하는 방식, 발전용 수차가 설치된 선박 같은 부유체를 이용하는 방식으로 구분된다.
조류 발전장치가 내장되는 타워형 구조물에 관한 내용은 한국등록특허 제10-0762375호에 개시되어 있다. 이러한 타워형 구조물은 해저 지반에 단단하게 고정하기 위하여 해저 기초공사를 수행해야 하는데, 조류가 강한 해협에서는 그 공사의 난이도가 매우 높고, 비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한, 항상 강한 조류가 흐르는 물속에 수차가 고정되어 있어 설치 후 그물, 어구, 해조류 등의 해양쓰레기가 감기면 고장이 발생하기 쉽고, 유지 보수가 대단히 어렵다는 문제점이 있다.
프로펠러식 블레이드 발전장치를 내장한 구조물을 해저 또는 해중에 설치하는 방식은 한국등록특허 제10-1222187호, 한국공개특허 제10-2012-0075251호 등에 개시되어 있다. 이러한 장치들 역시 발전장치가 설치되는 구조물이 해저에 고정되어야 하고 회전식 수차를 사용한다는 점에서 상기 타워형 구조물에 설치되는 조류발전장치와 동일하게 해양쓰레기가 감기면 고장이 발생하기 쉽고, 유지 보수가 대단히 어렵다는 문제점을 갖고 있다.
발전용 수차가 설치된 선박과 같은 부유체를 이용하는 방식은 일본공개특허 특개평7-301171호 등에 개시되어 있으며, 부유체의 하부 또는 측면에 조류를 수용하기 위한 회전식 수차가 설치되는 구성이 일반적이다. 상기 기술을 구체적으로 살펴보면, 소정 간격을 갖는 한 쌍의 배 형상 부유체 사이에 수차를 설치하여 물의 표층에서만 사용할 수 있는 구조이므로 에너지 수용효율이 낮고 이것 역시 해양쓰레기에 엉켜 고장이 발생할 수 있다.
이렇듯, 지금까지 세계 각국에서 실시해온 조류발전은 대부분 날개가 회전하는 수차식 조류발전 방식을 채택하였고, 이러한 수차식 조류발전은 양력을 발생시키는 경사진 방사형의 회전날개(blade)를 사용하기 때문에 저유속(2.0m/sec 이하)의 조류에서는 자기기동속도(cut in speed)가 낮아 발전기가 구동되지 않는 단점이 있고, 특히 수차에 해양쓰레기가 엉키게 되면 보수가 매우 어려워 비싼 발전시설들이 무용지물이 되는 심각한 문제점을 지니고 있다.
본 발명인은 수차식 조류발전의 낮은 에너지 효율과 해양쓰레기가 수차에 감기는 문제점을 모두 해결하기 위해 수차를 사용하지 않는 ‘차단막 견인식 조류력 발전장치’(특허등록 제10-2089210호)를 창안한 바 있다. 그러나 이 발전장치는 2개의 발전용 선체에 걸린 순환형의 케이블로 차단막을 견인하는 방식이므로 순환케이블의 길이가 길어지는 만큼 시설비가 많이 들고 순환케이블에 의한 마찰저항이 커서 발전효율이 감소되는 단점이 있었다. 그러므로 이제 케이블이 순환하지 않는 계류형의 삭도(cableway)를 이용한 새로운 조류발전시스템을 제시한다.
한국등록특허 제10-0762375호 한국등록특허 제10-1222187호 한국공개특허 제10-2012-0075251호 일본공개특허 특개평7-301171호 한국등록특허 제10-1039080호 한국등록특허 제10-2089210호
본 발명은 종래 조류발전의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조류차단막(04)을 구비한 발전선체(03)가 계류형 삭도의 케이블(01)을 따라 이동하면 케이블(01)이 감긴 발전기(02)의 풀리(05)를 구동케 함으로써, 미약한 조류(유속 0.5m/sec 이하)에서도 고효율로 전력을 생산할 수 있고, 종래처럼 순환케이블에 의해 마찰저항이 생기거나 수차에 해양쓰레기가 감기는 피해가 없으며, 발전장치를 모두 부유식으로 구성하여 설치, 이동, 수리가 매우 간편하게 한 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 것으로,
본 발명은 도 1 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 발전선체(03)의 전후방에 장착한 접이식 틀(07)에 조류차단막(04)을 형성하고, 상기한 발전선체(03) 상단에는 풀리(05)를 장착한 발전기(02)를 형성하고, 상기한 풀리(05)에는 조류방향으로 평행하게 배치한 계류형 삭도의 케이블(01)이 감겨 발전기(02)가 구동되도록 형성하여서 된 것이다.
그리고 상기한 본 발명의 발전기(02)는 조류의 방향을 감지해 회전방향을 바꾸게 하는 클러치(C)와 설정한 풀리(05)의 회전수를 감지해 변속비를 증감시키는 무단변속기(CVT)에 의해 구동되게 하여서 된 것이다.
본 발명은 넓은 조류차단막(04)을 장착한 발전선체(03)가 삭도의 케이블(01)을 따라 이동하여 발전기(02)의 풀리(05)를 구동하는 발전방식이므로 밀물과 썰물의 양방향 조류력을 조류차단막(04)의 전면에서 고스란히 받아들여 미약한 조류(0.5m/sec 이하)에서도 고효율의 발전을 할 수 있고, 종래처럼 순환케이블에 의해 마찰저항이 생기거나 수차에 해양쓰레기가 감기는 피해가 없으며, 발전 설비가 부유식이므로 설치 및 이동, 수리를 쉽게 실행할 수 있는 등의 여러 가지 특장점을 지니고 있다.
도 1은 본 발명의 발전선체(03)를 보인 사시도,
도 2는 본 발명의 발전선체(03)에서 바다에 잠기고 뜬 부분을 보인 사시도,
도 3은 본 발명의 발전선체(03)가 조류차단막(04)을 수중에 내린 측면도,
도 4는 본 발명의 발전선체(03)가 조류차단막(04)을 선상에 올린 측면도,
도 5는 밀물일 때 본 발명의 발전선체(03)가 발전을 실행하는 측면도,
도 6은 썰물일 때 본 발명의 발전선체(03)가 발전을 실행하는 측면도,
도 7은 발전기(02)의 구성을 보인 얼개도,
도 8은 발전기(02)의 운용 프로세스를 보인 순서도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 삭도 운행식 조류발전 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 삭도 운행식 조류발전 시스템의 발전선체(03)를 보인 사시도, 도 2는 상기한 발전선체(03)에서 바다에 잠기고 뜬 부분을 보인 사시도, 도 3은 상기한 발전선체(03)가 발전을 실행하기 위해 접이식 틀(07)로 조류차단막(04)을 수면 아래로 잠기게 한 상태를 보인 측면도, 도 4는 상기한 발전선체(03)가 수리 및 이동을 위해 접이식 틀(07)로 조류차단막(04)을 선상으로 끌어 올린 상태를 보인 측면도이다,
또한 도 5는 밀물이 흐르는 시기에 삭도 운행식 조류발전시스템의 발전선체(03)가 조류에 떠밀려 발전을 실행하는 상태를 나타내는 측면도, 도 6은 썰물이 흐르는 시기에 삭도 운행식 조류발전시스템의 발전선체(03)가 조류에 떠밀려 발전을 실행하는 상태를 나타내는 측면도이다.
그리고 도 7은 유향계(flow indicator)로 밀물 또는 썰물의 방향을 감지하여 발전기(G)의 회전이 반전되게 하는 클러치(C)와 밀물과 썰물의 유속에 따라 풀리(05)의 회전수를 감지해 변속비를 증감시키는 무단변속기(CVT)를 구비한 발전기(02)의 구조를 보인 얼개도이다.
이제, 상술한 도면에 따라 본 발명 실시예의 구성에 따른 작용 및 효과를 구체적으로 설명한다.
본 발명은 도 1 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 발전선체(03)의 전후방에 장착한 접이식 틀(07)에 조류차단막(04)을 형성하고, 상기한 발전선체(03) 상단에는 풀리(05)를 장착한 발전기(02)를 형성하고, 상기한 풀리(05)에는 조류방향으로 평행하게 배치한 계류형 삭도의 케이블(01)이 감겨 발전기(02)가 구동되게 한 것이다.
즉, 본 발명은 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기한 조류차단막(04)이 발전선체(03)에서 관절처럼 움직이며 오르내릴 수 있는 접이식의 차단막 틀(07)에 장착되어 있고, 이러한 접이식의 차단막 틀(07)은 발전선체(03)에 구비한 원동기로부터 공급된 동력으로 기어를 구동하여 견인하는 장치, 또는 유압 피스톤을 이용하여 견인하는 장치, 또는 윈치(winch)를 이용하여 견인하는 장치 등을 이용하여 조류 차단막(04)을 바다에 잠기도록(도 3 참조) 할 수 있고 선상에 끌어 올리게(도 4 참조) 할 수가 있다. 그러므로 본 발명은 발전선체(03)에서 조류발전을 실행할 때는 조류차단막(04)을 수중에 잠기게 하고, 조류발전을 멈추거나 이동 및 수리를 원할 때는 조류차단막(04)을 선상으로 끌어올려 사용할 수 있다.
그리고 본 발명은 도 5에 나타낸 바와 같이, 정조기가 끝나고 좌측에서 밀물이 흐르기 시작할 때는 발전선체(03)의 전후방에 수직으로 잠긴 넓은 조류차단막(04)이 밀물 조류(Ti)를 정면으로 수용하여 계류형 삭도의 케이블(01)을 따라 힘차게 떠밀려가고, 이때는 삭도의 케이블(01)에 감긴 풀리(05)가 회전하게 되면서 발전기(02)를 구동하므로 전력이 생산된다.
또한, 본 발명은 도 6에 나타낸 바와 같이, 정조기가 끝나고 좌측에서 썰물이 흐르기 시작할 때는 발전선체(03)의 전후방에 수직으로 잠기게 한 넓은 조류차단막(04)이 썰물 조류(To)를 정면으로 수용하여 계류형 삭도의 케이블(01)을 따라 힘차게 떠밀려 이동하게 되고, 이때도 삭도의 케이블(01)에 감긴 풀리(05)가 회전하면서 발전기(02)를 구동하여 전력을 생산하게 되어 있다.
그러므로 본 발명은 밀물과 썰물의 조류(Ti, To)가 조석주기로 반복되어 흐르면, 상기한 도 5 및 도 6에 보이는 바와 같이, 넓은 조류차단막(04)에서 양방향의 조류력(TI 및 To)을 모두 수용하면서 항상 고효율로 전력을 생산할 수 있다. 그리고 본 발명은 필요시 계류형 삭도의 케이블(01)에 다수의 발전선체(03)를 연결하여 더욱 많은 전력을 생산하게 할 수도 있다.
그리고, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 발전기(02)는 유향계로 밀물과 썰물을 구분하여 회전 방향이 반전되도록 하는 클러치(C)와 밀물일 때와 썰물일 때 풀리(05)의 회전수의 편차에 따라 변속비를 조절하는 무단변속기(CVT)를 함께 구성하고 있다. 이러한 발전기(02)의 클러치(C)와 무단변속기(CVT)는 밀물과 썰물의 조류 유속이 해역의 지형과 환경적인 영향에 따라 서로 다르다고 해도 발전선체(03)가 삭도의 케이블(01)을 따라 이동한 거리(또는 풀리(05)의 회전수)를 일치시키도록 하기 위해 구성한 것이다.
즉, 상기한 본 발명의 구성에 의하면, 유향계로 밀물인지 썰물인지 판단하여 클러치(C)의 회전 방향이 반전되고, 밀물과 썰물의 조류 유속이 서로 다를 경우 발전 선체(03)가 설치된 해역에서 풀리(05)의 회전수를 측정하고(ex ; 측정값이 밀물에 592m, 썰물에 523m 일 경우라고 하면) 발전선체(03)가 밀물과 썰물시 이동한 거리의 편차에 따라 무단변속기(CVT)의 변속비를 설정(ex ; 밀물시 : 썰물시=592 : 523의 변속비로 설정)하므로써 밀물과 썰물에서 발전선체(03)의 이동거리를 일치시킬 수 있다. 즉, 이렇게 무단변속기(CVT)의 변속비를 설정하면, 설정한 변속비가 큰 밀물에서는 발전기(G)의 회전수가 늘어 발전량이 증가하는 반면 발전기(G)의 회전저항력이 강해져 풀리(01)의 회전수(케이블 이동거리)가 감소된다. 그리고 설정한 변속비가 작은 썰물에서는 발전기(G)의 회전수가 줄어 발전량이 감소하는 반면 발전기(G)의 회전저항력이 약해져 풀리(01)의 회전수(케이블 이동거리)가 증가된다. 이처럼 본 발명의 발전장치(02) 운용 프로세스에 의하면 밀물과 썰물의 조류 유속이 서로 달라도 변속비를 조절하여 조류발전 선체(03)가 케이블(01)을 따라 이동하는 거리를 서로 일치되게 할 수 있다.
상기한 발전장치(02)의 운용 프로세스는 도 8에 나타낸 바와 같이, 조류발전 선체(03)의 발전이 시작되면, 밀물과 썰물에 의한 케이블 풀리(05)의 구동거리 편차에 따라 무단변속기(CVT)의 변속비를 설정하는 1단계, 그리고 유향계에 의해 조류의 방향을 측정하는 2단계, 그리고 밀물, 썰물 여부를 판단하는 3단계, 그리고 상기 3단계에서 밀물이면 클러치(C)를 정회전으로 전환하고, 무단변속기(CVT)를 밀물용 변속비로 구동하며, 케이블 풀리(05)의 구동거리를 측정하는 4단계, 그리고 상기 3단계에서 썰물이면 클러치(C)를 역회전으로 전환하고, 무단변속기(CVT)를 썰물용 변속비로 구동하며, 케이블 풀리(05)의 구동거리를 측정하는 5단계, 그리고 상기한 4, 5단계에서 측정한 케이블 풀리(05)의 구동거리를 비교하는 6단계, 그리고 상기한 6단계에서 비교한 밀물, 썰물의 구동거리가 서로 다르면 다시 상기 1단계로 전환하는 7단계, 그리고 상기한 6단계에서 비교한 밀물, 썰물의 구동거리가 같다고 판단하면 발전 상태를 계속 유지하여 종료하는 8단계의 순서로 이루어지게 한 것이다.
한편, 아직 도면의 부호 중에서 설명하지 않은 부표(08)는 조류차단막(04)의 상단 가장자리에 연결되어 조류 차단막(04)이 수직을 유지하며 부유식으로 떠 있게 하는 역할을 하고, 이 부표(08)의 내부에 조명등을 내장하면 야간에 타 선박이 접근할 때 주의 표시등의 역할을 하게 할 수 있다. 또한, 부싱(09)은 삭도(01)의 통과 위치가 변하지 않도록 설정하고 케이블을 따라 접근하는 부착물도 제거할 목적으로 설치하는 것이고, 또한 동력전달장치(10)는 발전기(02)의 내부에 설치한 기어 등의 동력전달장치이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 밀물과 썰물의 양방향 조류력(Ti, To)을 단면적이 넓은 조류차단막(04)의 전면에서 고스란히 받아들여 미약한 조류(0.5m/sec 이하)에서도 고효율의 발전을 할 수 있다. 또한 종래의 수차식 조류발전처럼 프로펠러나 블레이드 등과 같은 회전날개를 전혀 사용하지 않고 있으므로 그물, 해조류, 밧줄 등의 해양쓰레기가 날개에 감기는 고장의 염려가 전혀 없다. 그리고 본 발명은 조류차단막(04)을 장착한 발전선체(03)가 계류용 부표(06)에 연결한 삭도의 케이블(01)을 따라 운행하는 부유식의 발전시스템이므로 본 발명인의 선행특허기술인 '차단막 견인식 조류력 발전장치'와 달리 케이블이 순환하지 않으므로 조수에 의한 순환 케이블의 마찰저항으로 인해 발전기의 구동 효율이 감소하는 일이 없다. 그리고 이 부유식의 발전시스템은 해저나 해중에 고정되어 발전을 수행하는 기존의 수차식 조류발전장치와 달리 설치 및 이동, 수리를 쉽게 실행할 수 있는 장점을 갖고 있다.
이상의 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.
전 세계 국가들은 앞다투어 ‘탄소 제로’를 선언하고, 온실가스 배출원을 줄이기 위한 다방면의 노력을 기울이고 있다. 다행히, 지구상에는 빠른 조류가 형성되는 해역이 산재하므로 본 발명과 같이 효율이 좋은 조류발전 시스템을 잘 활용하게 되면 그 부가가치가 높아 산업상 이용가능성이 매우 크다.
특히, 본 발명이 상용화되면, 기후 위기에 대응하는 탄소중립 실현, 전기차 시대의 전력수요 증가에 대처, 신재생에너지 보급률 확대, 그린 수소의 생산에 활용, 저렴한 에너지에 의한 국가의 산업경쟁력 강화, 많은 일자리 창출에 이바지하는 등 여러 가지 효과를 기대할 수 있다.
01 : 삭도(Cableway), 02 : 발전기,
03 : 발전선체, 04 : 조류차단막(tide blocking tent),
05 : 풀리(pulley), 06 : 계류용 부표(mooring buoy),
07 : 접이식 틀, 08 : 부표(buoy),
09 : 부싱(Bushing), 10 : 동력전달장치,
SL : 해수면, To : 밀물, 썰물의 조류력,
C : 클러치, CVT : 무단변속기,
G : 발전기,

Claims (2)

  1. 발전선체(03)의 전후방에 조류차단막(04)을 구비한 접이식 틀(07)을 장착하고, 상기한 발전선체(03) 상단에는 풀리(05)에 의해 구동하는 발전기(02)를 장착하고, 상기한 풀리(05)에는 조류방향으로 평행하게 배치된 2곳의 계류용 부표(06)에 결속한 삭도의 케이블(01)이 감기게 하여서 된 것을 특징으로 하는 삭도 운행식 조류발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 발전기(02)는 유향계로 밀물과 썰물을 측정해 회전 방향이 반전되는 클러치(C)와 밀물과 썰물에서 풀리(05)의 회전수(삭도의 이동거리)를 측정해 그 편차에 따라 밀물과 썰물의 변속비가 조절되게 하는 무단변속기(CVT)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 삭도 운행식 조류발전시스템.
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