KR100765910B1 - 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양환경에서 얻을 수 있는 자연에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전장치에 관한 것으로서, 본 발명의 구성은 상부회전축지지베어링(12)과 발전기(11)를 내재하고 부유수단지지용앵커(13)에 의하여 지지되는 부유수단(10)과; 해저지면(60)에 발라스트지지앵커(26)에 의하여 설치된 하부발라스트(21)와, 상기 하부발라스트(21) 상부에 설치되고 상기 베어링지지대(23)에 의해 하부회전축지지베어링(24)을 지지하는 하부베어링지지대(25)가 연결된 상부발라스트(22)로 구성된 고정수단(20)과; 상기 부유수단(10)과 고정수단(20) 사이에 수직으로 설치되고 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 구비하고 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 연결하는 다수의 유니버설조인트(38)로 구성된 회전수단(30)과; 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)에 설치되는 상부회전장치(41) 및 하부회전장치(42)와, 상기 회전장치(41, 42)에 각각 구비된 래칫기어장치(43)로 구성된 회전동력수단(40);을 포함하여 구성되며, 본 발명의 효과는 하나의 수직축에 필요에 따라 여러형태의 하나 혹은 여러개의 회전동력수단를 연계하여 해류의 속도에 따라 회전동력수단 중의 하나가 선택적으로 작동 되도록 하여 전체적인 효용을 높일 수 있으며, 보수가 거의 필요하지 않는 기계장치인 고정수단, 회전수단 및 회전동력수단은 수중에, 손이 많이 가고 수중에서는 방수수밀 때문에 취급이 어려운 전기계통 및 발전장치는 해상에 띄워있는 구조물인 부유수단 안에 설치함으로서 해수로부터 보호되고 접근 보수가 용이토록 하는 효과가 있다.

해류회전동력장치, 해류발전장치, 단일수직축형회전동력장치, 단일수직축형다종회전동력장치, 사보니어스(Savonius)형 해류동력장치, 로터베인컵(Rotorvane-cup)형 해류동력장치, 다리우스(Darrieus)형 해류동력장치, 지로밀(Giromill)형 해류동력장치

Description

단일수직축-다종회전익형 해류발전장치{Marine current power generator by multi-rotors on a single vertical axis}

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도 3은 본 발명에 따른 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치를 천해에 설치시의 구성을 나타내는 개략도이고,

도 4는 본 발명의 변형예로 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치를 이용한 다른 한 종류인 프로펠러형회전장치식 해류발전장치를 심해에 설치시의 구성을 나타내는 개략도이고,

도 5는 도 3과 도 4에 의한 회전동력전달수단인 래칫기어장치를 나타내는 평면도이고,

도 6은 본 발명의 변형예로 여러 가지 다종회전익형 해류발전장치를 심해에 설치시의 구성을 나타내는 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10 : 부유수단 11 : 발전기

12 : 상부회전축지지베어링 13 : 부유수단지지용앵커

20 : 고정수단 21 : 하부발라스트

22 : 상부발라스트 23 : 베어링지지대

24 : 하부회전축지지베어링 25 : 하부베어링지지대

26 : 발라스트지지앵커 30 : 회전수단

31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 : 굴절형회전축

40 : 회전동력수단 41 : 상부회전장치

42 : 하부회전장치 43 : 래칫기어장치

50 : 해수면 60 : 해저지면

411 : 다리우스형회전장치 412 : 지로밀형회전장치

413 : 프로펠러형회전장치 421 : 로터베인컵형회전장치

422 : 사보니어스형회전장치 100 : 해류발전장치

본 발명은 해양환경에서 얻을 수 있는 자연에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 자세히는 본 발명은 해류(海流; marine current)로부터 회전익(回轉翼; rotors)을 통하여 회전동력(回轉動力; rotating power)을 얻어 발전 등 유용한 대체에너지를 얻는 수중 해류동력장치(海流動力裝置; marine current power generation mechanism)에 관한 것이다

해류동력장치의 에너지원인 해류의 강도와 분포는 기본적으로 지구와 달과 태양의 운동에 의하고 시간적으로 공간적으로 거의 일정하며 예측이 가능하고 따라서 비교적 잘 알려져 있고 매우 영속적이고도 방대하다. 해류에너지의 효용은 속도와 양이 관건을 쥐고 있는바 대양의 해류속도는 0.5~0.8 m/sec 정도이고 멕시코 만류(Gulf Stream)나 쿠루시오 해류(Kuroshio Current)에서는 수백킬로의 아주 광범위한 영역에 해류가 흐르는 것으로 알려져 있다. 한 추정에 의하면 멕시코 만류(Gulf Stream)는 80million ㎥/sec의 방대한 유량이 흐른다[Gorlov, 1997]. 육지에 가까워지면서 해류는 빨라져 아일랜드, 인도네시아, 필리핀, 인도, 이탈리아, 미국 등 세계 여러 곳에 해류가 5 노트(knots : 2.5 m/sec) 이상인 곳이 많다. 우리나라의 일부 섬이나 육지 가까이에서는 3~4 m/sec 이상인 곳이 있다. 태평양 중앙, 필리핀열도 동방, 말레이반도 동방, 스리랑카 동방, 대만 해협 및 동방, 알라비아 반도 동방 등의 여러 곳에 매우 빠른 해류가 있어 보이나 자세한 자료가 부족하다. 세계 전체적으로는 이런 해류에너지는 매우 크고 450 기가와트(Giga-watts)로 추산한다.

해류에 의한 발전은 조건이 어려운 해양이기에 신뢰성(reliability)이나 투자의 면에서 쉽지 않다. 또한 일반적으로 해류속도가 충분하지 않아 아직까지 제대로 활용되지 못하고 있다. 섬(islands) 사이, 해협(straits)이나 만(estuary) 입구 등 해류가 빠른 곳에서는 프로펠러형이 가장 좋은 동력장치이다. 현재 활용되고 있 는 프로펠러형은 해류속도가 최소 ~1.0 m/sec 정도는 되어야 발전이 가능하고, ~2.0 m/sec 는 되어야 경제적으로 효율이 있다고 본다. 그래서 이러한 프로펠러형 동력장치는 지형과 해류에 맞는 곳에만 사용가능하다. 활용되고 있는 예도 아직은 드물다.

섬 사이나 만 입구 등을 떠난 경우 일반 대양에서는 대상으로 하여야 할 해류 속도는 0.5~1.5m/sec 정도로 잡아야 할 것이다. 아무리 기계적 효율이 좋은 해류동력장치라 할지라도 해류에 맞출 수 없으면 그만이고, 그래서 비교적 기계적 효율은 낮은 장치를 사용하더라도 약한 해류에서도 에너지를 쉽게 싸게 얻어내는 것이 가장 중요한 목표의 하나가 된다. 어차피 있는 해류라면 에너지 밀도가 낮은 해류라 하더라도 에너지원만은 공짜이기 때문이다. 그래서 저속의 해류에도 맞는 해류동력장치를 사용할 필요가 있다.

또한, 종래에는 수평축형 해류회전동력장치들은 발전장치를 수중 방수 파드 (watertight underwater pod) 구조 안에 두어 방수 시이일(watertight seal)을 하여 밀폐하고 때때로 수상으로 끌어올려 보수하는 방법을 쓰고 있다. 수직축형을 쓰는 경우에도 해저에 고정 구조물을 세우고 발전기를 수중에 두거나 얕은 물에서는 수상에 탑을 올려서 발전을 한다.

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양력원리(lift principle)를 이용하고 성능이 비교적 좋은 프로펠러 (propeller)형과 다리우스(Darrieus)형/지로밀(Giromill)형은 보통은 해류속도가 1.0 m/sec 정도에서 스스로 작동을 시작하는 반면 저항원리(drag principle)와 압력차(pressure difference)를 이용하는 로터베인컵 (Rotorvane-cup)형이나 사보니어스(Savonius)형은 보통 0.4 m/sec 정도면 작동이 시작된다. 그러나 후자의 경우에는 해류속도가 더 빨라지면 효율이 급격히 떨어진다. 수중에서는 해류회전동력장치의 총 상대속도가 너무 크면 공동현상(空洞現像; cavitation phenomenon)이 일어나게 되고 또 장치의 중량 등을 고려하여 공기 중에서 사용하는 풍력발전장치에 비하여 장치의 크기를 줄여야 한다

수중에 설치되는 해류회전동력장치는 일반적으로 어류, 동물들과의 충돌, 선박과의 충돌 및 해류의 속도 저하, 왜곡 및 교란 등으로 일어날 수 있는 것을 고려하여야 한다. 어류나 동물과 부딪치는 것은 이 장치들의 회전속도가 저속으로 대개 분당 20회전 이하임으로 현재까지는 비교적 안전한 것으로 알려져 있다. 또한 환경적, 안전적 사항은 육상풍력장치처럼 소리가 나거나 눈에 거슬리지는 않으며, 바다는 비교적 한적한 곳이 많음으로 심하지 않은 것으로 알려져 있다. 한편 선박항로로부터 격리를 위하여서는 해류발전목장을 고려할 필요가 있고, 그런 목적을 위하여서 해류회전동력장치를 표준화함이 바람직하다.

위에서 살펴본 것과 같이 종래의 해류발전장치는 해류의 고속 혹은 저속 조건에 따라 성능이 좌우됨으로, 이 중 한 종의 회전익을 선택해서 사용하는 경우 광범위한 해류속도 범위에서는 효율적인 동력을 얻을 수 없으며, 따라서 되도록이면 저속 때이거나 고속 때이거나 해류에 따라 항상 작동되는 장치가 필요하고, 특히 운영조건이 더 어렵더라도 해류속도가 낮은 때에도 작동하는 장치가 더 긴요하다. 종래의 수평축형 프로펠러형회전장치는 저속에서는 작동이 어려워 그런 관점에서 보면 유리하지 않을 뿐만 아니라, 수중에 프로펠러와 발전기를 구비하게 되면 때때로 이를 보수하기 위해 수상으로 끌어 올려야 하며, 이런 경우와 수중에 베벨기어 파드(Bevel-gear pod)를 쓰는 경우에도 파드 내에 윤활제를 써야하고 방수를 해야 하는 단점이 있다.

상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 회전익 형상이 같거나 혹은 다른 여러가지 다른 수직축형(垂直軸型) 해류회전동력장치들을 같은 하나의 수직축에 연계하여 느리거나 빠른 변동 해류속도에 맞추어 어느 하나라도 작 동되도록 함으로서 전체적인 효용을 높일 수 있도록 하는 기계장치를 부착하여 더 지속적으로 더 많은 에너지를 흡수 가능케 하고, 그러면서도 보수가 거의 필요하지 않는 기계장치는 수중에, 손이 많이 가고 수중에서는 방수수밀(防水水密; watertight sealing) 때문에 취급이 어려운 전기계통 및 발전장치 등은 해상에 떠 있는 부유수단 내에 설치함으로서 접근 보수가 용이한 해류회전동력장치 내지는 해류발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 해류로부터 회전익(回轉翼; rotors)을 통하여 회전동력을 얻어 발전을 하는 해류발전장치(100)로서 상부회전축지지베어링(12)과 발전기(11)를 내재하고 부유수단지지용앵커(13)에 의하여 지지되는 부유수단(10)과; 해저지면(60)에 발라스트지지앵커(26)에 의하여 설치된 하부발라스트(21)와, 상기 하부발라스트(21) 상부에 설치되고 상부는 베어링지지대(23)에 의해 하부회전축지지베어링(24)을 지지하는 하부베어링지지대(25)가 연결되고 하부는 상기 발라스트지지앵커(26)가 연결된 상부발라스트(22)로 구성된 고정수단(20)과; 상기 부유수단(10)과 고정수단(20) 사이에 수직으로 설치되고 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 구비하고 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 연결하는 다수의 유니버설조인트(38)로 구성된 회전수단(30)과; 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)에 설치되는 상부회전장치(41) 및 하부회전장치(42)와, 상기 회전장치(41, 42)에 각각 구비된 래칫기어장치(43)로 구성된 회전동력수단(40);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 상부회전장치(41)는 다리우스형회전장치(411), 지로밀형회전장치(412) 및 프로펠러형회전장치(413)로 구성되고, 상기 하부회전장치(42)는 로터베인컵형회전장치(421) 및 사보니어스형회전장치(422)로 구성되되, 상기 상부회전장치(41)와 상기 하부회전장치(42)는 상하순서가 교환 가능한 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 래칫기어장치(43)는 상기 회전장치(41, 42)의 상부에 각각 설치되되 동일 회전방향이 되도록 설치된 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)에 고정된 래칫기어(431)와, 상기 회전장치(41, 42)의 일부에 상기 래칫기어(431)에 결합되도록 동일선상에 설치되는 래칫키(432)와, 상기 래칫키(432)에 연결된 래칫스프링(433)으로 구성되어 상기 래칫기어(431)의 회전방향과 동일방향으로 회전되는 상기 회전장치(41, 42) 중 회전속도가 빠른 경우에 동력이 장치에 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부유수단(10)은 해수면(50)에 설치되고, 상기 회전수단(30)과 해저지면(60)에 설치되는 고정수단(20) 및 회전수단(30)에 연결되는 회전동력수단 (40)은 수중에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 프로펠러형회전장치(413)의 일측은 프로펠러(413b)와 동력전달베벨기어(413e)가 구비된 수평형연결축(413a)가 설치되고 타측은 방향타형수직평판(413c)가 설치되며 중앙의 회전형외부케이스(413d) 내부에는 상기 동력전달베벨기어(413e) 연접하는 축방향베벨기어(413f)와 상기 래칫기어장치(43)를 내재하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치를 천해에 설 치시의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 변형예로 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치를 이용한 다른 한 종류인 프로펠러형회전장치식 해류발전장치를 심해에 설치시의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 5는 도 3과 도 4에 의한 회전동력전달수단인 래칫기어장치를 나타내는 평면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 변형예로 여러 가지 다종회전익형 해류발전장치를 심해에 설치시의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 3과 도 4를 참조하여 해류로부터 회전익을 통하여 회전동력을 얻는 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)의 전체 구성을 살펴보면 해수면(50)에 부유하는 부유수단(10)과, 해저지면(60)에 지지되기 위한 고정수단(20)과, 상기 부유수단(10)과 고정수단(20) 사이에 거의 수직 한축으로 구성된 회전수단(30)으로 구성되며, 또한 상기 회전수단(30)에 의해 회동 가능하도록 하나 혹은 여러개로 구성되는 다종의 상부회전장치(41)와 하부회전장치(42)로 구성된 회전동력수단(40)으로 구성되는 것으로,

상기 부유수단(10)은 부력에 의하여 해수면(50)에 부유하는 부유체로서 부유수단지지용앵커(13)에 의하여 해저지면(60)에 지지되어 부유수단지지용앵커(13)의 작동범위 안에서 상하, 좌우, 히빙, 로링 및 핏칭 운동 등이 가능하도록 지지되고 회전수단(30)이 부유수단(10)에 대하여는 상대적 회전이 허가되어 회전동력이 내측에 있는 상부회전축지지베어링(12)과 전기계통 및 발전장치 (11)등에 전달되도록 내재한 것이며,

상기 고정수단(20)은 해저지면(60)에 직접 혹은 간접적으로 설치되는 하부발라스트(21)는 무게조절을 하기 위한 것으로 콘크리트나 철 등으로 구성되어 있으며, 상기 하부발라스트(21) 상부에 설치되고 상부는 베어링지지대(23)에 의해 하부회전축지지베어링(24)이 지지된 하부베어링지지대(25)에 연결되고 하부는 발라스트지지앵커(26)에 연결된 상부발라스트(22)는 물을 빼거나 채워 전체의 부력을 조정하여 부력에 의하여 들어올릴 수 있도록 내측에 공간을 형성하도록 구성되었으며, 여기서 상기 하부발라스트(21)는 상기 상부발라스트(22)에 연결된 발라스트지지앙카(26)에 의해 수심에 맞추어 설치되고, 수심이 깊을 때에는 발라스트지지앵카(26)를 제외한 고정수단(20)은 해저지면(60)에서 떨어지도록 구성된 것이다. 이 때에는 고정수단(20)의 충분한 무게와 부유수단(10)의 더 충분한 부력에 의하여 부력과 중력의 작용으로 회전수단(30)이 거의 일직선을 견지하여 타우트무어링(taut mooring)을 형성하게 되고 회전동력수단(40)의 작동이나 고정수단(20)의 지지에는 지장을 주지 않는다.

상기 회전수단(30)은 상기 부유수단(10)과 고정수단(20) 사이에 거의 수직으로 설치되고 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 구비하고 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 연결하는 다수의 유니버설조인트(38)로 구성된 것이며, 여기서 상기 회전수단(30)의 일부(36)는 상기 상부회전축지지베어링(12)에 연결되고, 하부에 구성된 상기 회전축(30)의 일부(37)는 고정수단(20)에 구비된 하부회전축지지베어링(24)에 연결되어 해수면(50)에서 해저지면(60)까지 거의 수직으로 하나의 단일축이 되도록 구성한 것이며, 다수의 유니버설조인트(38)가 구성됨으로서 부유수단(10)의 운동이나 해류에 의해 굴절되어도 회전력의 전달을 안정적으로 시킬 수 있도록 되어 있다.

여기서, 도 3을 보면 상기 회전동력수단(40)은 상부회전장치(41)로 다리우스형회전장치(411) 혹은 지로밀형회전장치(412)로 하나 혹은 여러개로 구성되며, 상기 하부회전장치(42)로는 로터베인컵형회전장치(421) 혹은 사보니어스형회전장치(422)로 이 또한 하나 혹은 여러개로 구성되어 있는데, 상기 상부회전장치(41)인 다리우스형회전장치(411) 및 지로밀형회전장치(412)는 양력원리(lift principle)를 이용하는 것으로 보통은 해류속도가 1.0 m/sec 정도에서 스스로 작동을 하고 이것은 고속의 해류에 맞추기 위하여 사용되는 것이며, 상기 하부회전장치(42)인 로터베인컵형회전장치(421) 및 사보니어스형회전장치(422)는 저항원리(drag principle)와 압력차(pressure difference)를 이용하는 것으로 보통 0.4 m/sec 정도에서 작동하게 되는데 주로 저속의 해류에 맞추기 위하여 사용된다.

도 4는 본 발명의 변형 예에 따른 상부회전장치(41)로서 고속해류에서 가장 효율이 좋은 프로펠라를 사용하는 수평축형 프로펠러형회전장치(413)를 나타낸 것이고, 또 추가로 상기 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)의 전체적인 구성은 도 3에 나타난 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)와 같으나 도 4에서는 고정수단(20)이 해저지면(60)에서 떨어져 있음을 보인다. 즉, 부유수단(10)과, 해저지면(60)에 고정되기 위한 고정수단(20)과, 상기 부유수단(10)과 고정수단(20)에 사이에 수직으로 한축으로 구성된 회전수단(30)으로 구성되며, 또한 상기 회전수단(30)에 의해 회동 가능하도록 하나 혹은 도 6에서 나타내는 바와 같이 여러개의 상부회전장치(41)와 하부회전장치(42)로 구성된 회전동력수단(40)으로 구성된다.

여기서, 상기 상부회전장치(41)인 프로펠러형회전장치(413)는 일측에 구비된 수평형연결축(413a)에 프로펠러(413b)가 구비되고 타측(他側)은 프로펠러의 회전축 방향을 해류방향에 맞추기 위한 굴절형회전축(32)에 대하여 회전형외부케이스(413d)와 함께 회전이 가능한 방향타형수직평판(413c)으로 구성되는 회전형외부케이스(413d)와, 상기 연결축(413a)에 구비된 동력전달베벨기어(413f)와, 상기 동력전달베벨기어(413f)에 수직으로 구비되고 상기 굴절형회전축(32)에 대하여 회전 가능토록 설치된 축방향베벨기어(413f)로 구성된 것이며, 상기 래칫기어장치(43)는 상기 축방향베벨기어(413f) 상부에 별도로 설치되고 굴절형회전축(32)에 같이 붙어 있는 래칫기어(431)와 같이 회동이 가능하도록 구성되며, 상기 동력전달베벨기어(413e)에 의하여 전달되는 동력전달이 회전방향에 대해 한 방향 회전만을 가능케 하는 래칫스프링(433)에 의하여 작동되는 래칫키(432)가 구비되는 것을 특징으로 하도록 구성되는 바와 같이 상기 다리우스형회전장치(411)와 같이 양력원리(lift principle)를 이용하는 것으로 보통은 해류속도가 1.0 m/sec 정도에서 스스로 작동을 하고 그 이상의 고속의 해류에 맞추기 위하여 사용되는 것이고, 상기 하부회전장치(42)인 로터베인컵형회전장치(421)는 도 3을 통해 설명된 것과 같다.

또한, 상기 상부회전장치(41)는 프로펠러형회전장치(413)와 상기 하부회전장치(42)는 로터베인컵형회전장치(421)로 구성되며 상기 상부회전장치(41)와 상기 하부회전장치(42)는 상하순서가 교환 가능한 구성이다.

또한, 상기 회전동력수단(40)은 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)의 일부(31)에 설치되는 상부회전장치(41)와, 상기 구절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)의 다른 일부(34)에 설치된 하부회전장치(42)로 구성된 것이며, 상기 상부회전장치(41)와 상기 하부회전장치(42)는 하나 혹은 여러개로 구성되며, 상하순서가 교환 가능하도록 구성된 것으로, 이것은 해류속도의 강도와 상하 위치에 따라 가장 잘 맞는 회전익 형태와 시스템이 다르기 때문에 여러가지 다른 종류의 회전익형 회전동력수단(40)를 같은 축에 장착하되 그때그때 해류에 따라 회전동력수단(40)에 각각 있는 래칫기어장치(43)에 의해 선택적으로 작동되도록 구성된다.

도 5는 회전속도 차를 이용하여 래칫기어(latchet type gear)를 작동시키는 장치를 보이는 것으로 상기 래칫기어장치(43)는 상기 각각의 회전동력수단(40)에 구비되고 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)의 일부에 대해 선택적으로 회동 가능토록 구성되며, 상기 래칫기어장치(43)는 한 회전방향에 대해 각각의 래칫회전기어(431)와, 상기 회전장치(41, 42)의 일부에 상기 래칫기어(431)에 결합되도록 동일선상에 설치되는 래칫키(432)가 구비되고, 상기 래칫키(432)의 일측에 결합되어 상기 래칫키(432)와 같이 상기 회전장치(41, 42)에 결합된 래칫스프링(433)으로 구성된다.

여기서, 도 5는 래칫기어장치(43)의 설치상태를 나타내는 실시예로 래칫기어장치(43)를 더욱 상세히 설명하면 회전수단(30)의 일부인 회전축(31)과 일체로 된 래칫기어(431)가 설치되고, 이 경우 축(표시는 시계반대방향/화살표방향으로)은 시계반대방향으로 어떤 회전축회전속도에 의하여 회전하고, 래칫기어(431)에서의 절선속도는 기어의 반경에 곱하여 얻어진다. 한편, 회전동력수단(40)의 일부인 축방향베벨기어(413f)는 상기 회전수단(30)의 일부인 회전축(31)과 별도로 독립적으로 다른 회전속도로 회전하도록 구성된다. 이의 래칫기어(431)에서와 같은 반경에서의 절선속도는 일반적으로 회전축(31)의 그것과 다르다. 도 5에서 보는 바와 같이 둘 다 같은 방향으로 회전하나 이 반경에서 절선속도에는 차가 있다. 이 반경에서 비교하여 회전수단(30)의 회전속도가 회전동력수단(40)의 회전속도가 보다 빠르면 래칫키(432)가 래칫스프링(433)에 의하여 작동하더라도 래칫기어(431)는 래칫키(432)와 미끄러져 동력이 상기 회전동력수단(40)의 일부로서 표시되는 회전동력의 동력전달이 안되도록 구성되어 있으며, 상기 반경에서 회전동력수단(40)의 회전속도가 회전수단(30)보다 빠르면 상기 래칫키(432)가 래칫스프링(433)에 의하여 작동하여 래칫기어(431)와 래칫키(432)는 미끄러지지 않고 회전동력수단(40)의 동력이 자동으로 회전방향에 따라 작동하도록 구성되어 있다. 이 반경에서 회전동력수단(40)의 상대속도가 클 때만 일방향에서만 동력을 전달되는 장치이다. 다수의 회전동력수단(40)이 한 수직축에 연계되어 있는 경우임으로 가장 회전속도가 빠른 회전동력수단(40)이 작용하여 동력을 전달하게 되어 있고, 속도가 같으면 동시에 연계되게 된다. 회전동력수단(40)의 회전속도는 장치의 종류, 해류속도 및 회전수단(30)에 걸려있는 발전기(11) 등의 부하에 따라 다르다.

도 6은 본 발명의 타 실시예로 심해에 설치시의 구성을 나타내는 개략도로 심해에는 해류속도가 깊이에 따라 달라지게 되는데 도면에서와 같이 다수 다종의 회전동력장치(40)를 설치하게 됨으로서 동력을 효율적으로 얻을 수 있다,

즉 해류속도가 빠른 해수면(50)에는 다리우스형회전장치(411), 지로밀형회전장치(412) 또는 프로펠러형회전장치(413)을 단일축으로 구성된 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 연결하는 다수의 유니버설조인트(38)로 구성된 회전수단(30)에 일체형으로 구성시키고, 해류속도가 느린 해저지면(60) 부근에는 로터베인컵형회전장치(421)과 사보니어스형회전장치(422)를 설치하여 해류의 속도분포에 맞추어 설치하여 효과적으로 동력을 얻을 수 있도록 하는 것이다.

또한, 상기 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)의 주요한 기술적 특징 중에 하나로 상기 부유수단(10)은 상부회전축지지베어링(12)과 발전기 등(11)을 내재하고 해수면(50)에 설치되며, 상기 회전동력수단(40)은 수중에 구비하게 되는 것으로 이것은 수중에는 손이 거의 갈 필요가 없는 상기 회전동력수단(40)을 두고 발전기(11)와 같은 전기장치들은 수상에 떠 있는 부유수단(10)에 장착하여 해수로부터 보호하고 필요할 때 검사 및 보수를 위한 접근이 쉽도록 되어 있는 것이다.

또한, 해상에 떠 있는 부유수단(10)은 상하운동/히빙(heaving), 피칭(pitching), 롤링(rolling) 및 스웨이(sway) 등 운동이 부유수단지지용앵커(13)의 허용범위 내에서는 허락되어 있고, 상기 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)가 지지되어 있으면 회전 운동이 자유롭도록 회전축(30)이 다수의 유니버설 조인트(38)(universal joint)로 연계되어 있는 점이다. 부유수단지지용앵커(13)와 발라스트지지앵커(26)에 의한 무어링(mooring)을 제외한 고정수단(20)은 반듯이 땅에 닿을 필요가 없고 부유수단(10)의 부력과 회전수단(30), 회전동력수단(40) 및 고정수단(20)의 무게로 타우트 무어링(taut mooring)이 됨으로 수심에 맞추기가 쉽고, 또 보수를 위한 적절한 설계에 의하여 때로는 장치를 수면 가까이 들어올릴 수 있다.

즉, 본 발명의 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)를 사용하면 사람의 손이 거의 닿을 필요가 없는 회전동력수단(40)과 기계장치는 수중에 두고 단일 수직축으로 구성된 회전수단(30)에 하나 혹은 여러개의 각종 다른 회전동력수단(40)을 달아 해류 동력을 전달받아 해수면(50)의 부유수단(10)에 발전기(11)를 설치하여 해수로부터 격리하여 발전 동력을 얻고 또한 접근 보수를 쉽게 한다.

단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)들을 여러개 광범위한 곳에 해류발전목장(energy farm)형태로 설치하는 경우 본 발명에서 제시하는 장치를 부착하면 바다 깊이가 다른 곳에서도 같은 장치를 사용가능하며, 또 해류속도는 간만의 차나 장소와 수심에 따라 차가 있기 마련인데 같은 형의 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치(100)를 사용하여도 해류에 따라 스스로 선택적으로 발전 연계할 수 있는 전체적 시스템 구성이 가능하고 이는 해류발전장치의 상당부분을 규격화 내지는 양산화할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 회전익 형상이 같거나 혹은 다른 여러 가지 다른 수직축형(垂直軸型) 해류동력장치들을 하나의 수직축에 하나 혹은 여러개를 연계 설치하여 전체적인 효용을 높일 수 있으며, 보수가 거의 필요하지 않는 기계장치는 수중에, 손이 많이 가고 수중에서는 방수수밀 때문에 취급이 어려운 전기계통 및 발전장치 등은 해상에 띄워있는 구조물에 설치하여 접근 보수가 용이하도록 하는 효과가 있다. 장치의 양산이 가능하고 집단발전시설과 천해 심해에 같이 적용이 가능하다.

Claims (5)

1. 해류로부터 회전익(回轉翼; rotors)을 통하여 회전동력을 얻어 발전을 하는 해류발전장치(100)에 있어서;

   상부회전축지지베어링(12)과 발전기(11)를 내재하고 부유수단지지용앵커(13)에 의하여 지지되는 부유수단(10)과;

   해저지면(60)에 발라스트지지앵커(26)에 의하여 설치된 하부발라스트(21)와, 상기 하부발라스트(21) 상부에 설치되고 상부는 베어링지지대(23)에 의해 하부회전축지지베어링(24)을 지지하는 하부베어링지지대(25)가 연결되고 하부는 상기 발라스트지지앵커(26)가 연결된 상부발라스트(22)로 구성된 고정수단(20)과;

   상기 부유수단(10)과 고정수단(20) 사이에 수직으로 설치되고 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 구비하고 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)을 연결하는 다수의 유니버설조인트(38)로 구성된 회전수단(30)과;

   상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)에 설치되는 상부회전장치(41) 및 하부회전장치(42)와, 상기 회전장치(41, 42)에 각각 구비된 래칫기어장치(43)로 구성된 회전동력수단(40);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상부회전장치(41)는 다리우스형회전장치(411), 지로밀형회전장치(412) 및 프로펠러형회전장치(413)로 구성되고, 상기 하부회전장치(42)는 로터베인컵형회전장치(421) 및 사보니어스형회전장치(422)로 구성되되, 상기 상부회전장치(41)와 상기 하부회전장치(42)는 상하순서가 교환 가능한 것을 특징으로 하는 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 래칫기어장치(43)는 상기 회전장치(41, 42)의 상부에 각각 설치되되 동일 회전방향이 되도록 설치된 상기 굴절형회전축(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37)에 고정된 래칫기어(431)와, 상기 회전장치(41, 42)의 일부에 상기 래칫기어(431)에 결합되도록 동일선상에 설치되는 래칫키(432)와, 상기 래칫키(432)에 연결된 래칫스프링(433)으로 구성되어 상기 래칫기어(431)의 회전방향과 동일방향으로 회전되는 상기 회전장치(41, 42) 중 회전속도가 빠른 경우에 동력이 장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 부유수단(10)은 해수면(50)에 설치되고, 상기 회전수단(30)과 해저지면(60)에 설치되는 고정수단(20) 및 회전수단(30)에 연결되는 회전동력수단(40)은 수중에 설치되는 것을 특징으로 하는 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 프로펠러형회전장치(413)의 일측은 프로펠러(413b)와 동력전달베벨기어(413e)가 구비된 수평형연결축(413a)가 설치되고 타측은 방향타형수직평판(413c)가 설치되며 중앙의 회전형외부케이스(413d) 내부에는 상기 동력전달베벨기어(413e) 연접하는 축방향베벨기어(413f)와 상기 래칫기어장치(43)를 내재하는 것을 특징으로 하는 단일수직축-다종회전익형 해류발전장치.

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