KR101832259B1 - 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자연법칙을 이용하여 응용된 유도구조물에 의하여 집속된 조류의 흐름으로 수차를 돌려 수차와 축 결합된 발전기를 회전시켜 전기에너지를 생성하는 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템에 관한 것으로, 일측은 조수 간만의 차가 형성되는 바다와 조류의 흐름이 나란한 호안(1)이고, 타측은 호안(1)과 일정 거리를 두고 일정한 폭으로 형성되되, 입구(11)와 출구(12)는 각각 넓어졌다고 점점 좁아지는 부채꼴로 형성되는 수로(10); 상기 수로(10)의 입구(11)와 출구(12)로부터 일정 각도로 설치되어 조류에 의한 해수의 흐름을 수로(10) 쪽으로 모아 유속을 빠르게 하는 유도구조물(40, 41); 상기 수로(10)를 복수로 나누는 분리구조물(42); 원통형으로 중심축(21)으로부터 방사상으로 일정 간격을 두고 설치된 복수의 간살(23) 단부에 결합된 복수의 날개(22)가 구비되되, 날개(22)는 알루미늄, 수지판 또는 합성섬유 중에서 어느 하나로 직조된 천으로 이루어지고, 상기 간살(23) 사이에 간살(23)의 변형을 방지하기 위하여 복수의 플레이트바(24)가 결합되며, 중심축(21) 양측에 축받이(30)가 축 결합되며, 상기 날개(22)가 수로(10)를 흐르는 해수면 아래에 설치되어 수로(10)를 통과하는 해수에 의해 회전하는 수차(20); 상기 축받이(30)를 일정 높이로 고정 지지하는 기초구조물(31); 상기 수차(20)의 중심축(21)과 축 결합되어 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 출력하는 발전기(35); 상기 수차(20)의 중심축(21)과 발전기(35) 사이에 축 결합되어 회전수를 증가시키는 증속기(33); 상기 수차(20)의 중심축(21)과 증속기(33) 사이에 축 결합되어 서로 분리가 가능하도록 이루어진 커플링(32), 및 상기 수로(10)의 입구(11) 또는 출구(12)에 설치되어 유입되는 해수의 흐름을 단속하는 수문(13);을 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 건설비용이 저렴하고, 설비의 운영 및 유지보수가 간편할 뿐만 아니라, 자연 훼손 및 환경오염이 없어 환경 친화적인 발전설비이다.

Description

유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템{Bi-Directional Tidal Current Power Generation System by Guide Structure}
본 발명은 조류 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자연법칙을 이용하여 응용된 유도구조물에 의하여 집속된 조류의 흐름으로 수차를 돌려 수차와 축 결합된 발전기를 회전시켜 전기에너지를 생성하는 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 조류발전은 해수의 흐름을 이용하여 발전하는 방식이다. 해안에 방파제를 설치하여 조수 간만의 차이를 이용하여 발전하는 조력발전과 달리, 빠른 해수의 흐름이 나타나는 해역에 댐이나 방파제의 설치 없이 해류를 이용하여 바다 속에 설치한 터빈을 돌리는 발전방식이다. 방파제를 건설할 필요가 없기 때문에 조력발전에 비해 비용이 적게 들고, 선박 다니기가 자유로우며, 어류의 이동을 방해하지 않고 주변 생태계에 영향을 주지 않아 환경 친화적인 것으로 평가된다.
그러나 종래의 조류발전은 건설비용이 많이 소요되고, 설비의 운용이 간편하지 않으며, 자연을 크게 훼손하고, 이로 인해 환경오염이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명과 관련된 선행기술로서, 특허문헌1은 조수 간만의 차가 발생하는 바다를 막아서 설치된 제방에 구비되고, 폭이 협소한 중간부와, 폭이 넓은 전단부 및 후단부로 이루어지며, 장구형 단면을 갖는 수로; 상기 수로의 중간에 형성되고, 물을 받는 다수의 물맞이가 설치되며, 양측 베어링에 의해 결합된 중심축을 중심으로 상기 수로를 통과하는 물에 의해 반복 회전하는 수차; 상기 수차의 중심축과 연결되어 전기를 발생시키는 발전기; 및 상기 수차의 중심축에 연결 설치되어 상기 발전기의 회전을 증가시키는 증속기어;를 포함하는 양방향 발전이 가능한 친환경 수차식 조력 발전 장치가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1260605호(2013.05.03. 공고)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 입구 및 출구가 부채꼴인 수로를 형성하고 수로에 수차를 설치하여 조류의 흐름에 따라 발전할 수 있도록 함으로써, 조류 흐름의 양과 유속을 증가시켜 대규모 발전이 가능하고, 건설비용이 저렴하며, 설비 운영 및 유지보수가 간편할 뿐만 아니라, 자연 훼손 및 환경오염이 없는 친환경의 발전이 가능하도록 한 것이 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 조류 발전 시스템에 있어서, 일측은 조수 간만의 차가 형성되는 바다와 조류의 흐름이 나란한 호안이고, 타측은 호안과 일정 거리를 두고 일정한 폭으로 형성되되, 입구와 출구는 각각 넓어졌다고 점점 좁아지는 부채꼴로 형성되는 수로; 상기 수로의 입구와 출구로부터 일정 각도로 설치되어 조류에 의한 해수의 흐름을 수로 쪽으로 모아 유속을 빠르게 하는 유도구조물; 상기 수로를 복수로 나누는 분리구조물; 원통형으로 중심축으로부터 방사상으로 일정 간격을 두고 설치된 복수의 간살 단부에 결합된 복수의 날개가 구비되되, 날개는 알루미늄이나 수지판 또는 합성섬유 중에서 어느 하나로 직조된 천으로 이루어지고, 상기 간살 사이에 간살의 변형을 방지하기 위하여 복수의 플레이트 바로 연결되며, 중심축 양측에 축받이가 축 결합되며, 상기 날개가 수로를 흐르는 해수면 아래에 설치되어 수로를 통과하는 해수에 의해 회전하는 수차; 상기 축받이를 일정 높이로 고정 지지하는 기초구조물; 상기 수차의 중심축과 축 결합되어 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 출력하는 발전기; 상기 수차의 중심축과 발전기 사이에 축 결합되어 회전수를 증가시키는 증속기; 상기 수차의 중심축과 증속기 사이에 축 결합되어 서로 분리가 가능하도록 이루어진 커플링(32), 및 상기 수로의 입구 또는 출구에 설치되어 유입되는 해수의 흐름을 단속하는 수문을 포함하여 이루어진 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템을 제공한 것이 특징이다.
본 발명에 따르면, 바다에서 발생하는 밀물과 썰물에 의한 조수 간만의 차이가 큰 호안에 조류의 흐름을 유도하는 유도구조물을 구축하여 수로가 형성되도록 하고, 수로에 수차를 설치하여 밀물과 썰물에 의한 양방향의 조류로 전기를 생산할 수 있게 함으로써, 건설비용이 저렴하고, 설비의 운영 및 유지보수가 간편할 뿐만 아니라, 자연 훼손 및 환경오염이 없어 환경 친화적인 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템에서 수차를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템에서 조류의 흐름에 따라 발전하는 작용을 나타낸 개략도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템의 다른 실시 예를 나타낸 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템에 관한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명은 바다와 접하는 호안에 조류의 흐름을 유도하는 구조물을 설치하여 수로를 만들어 조류의 유속을 빠르게 한 후 수차를 이용하여 전기에너지를 생산하는 것이다.
도 1 및 도 2에서, 수로(10)의 일측은 조수 간만의 차가 형성되는 바다와 조류의 흐름이 나란한 곳이다. 즉 수로(10)로 조류의 흐름에 따라 해수를 유도하기 쉬운 곳이 좋다. 따라서 호안(1)은 조류, 즉 밀물과 썰물이 지형이나 다른 구조물에 의하여 방해받지 않는 곳이 좋다. 더욱이 울돌목과 같이 조류의 흐름이 왕성한 곳에 수로(10)가 형성되는 것이 좋을 것이다. 또한, 수로(10)는 호안(1)과 일정 거리를 두고 일정한 폭으로 형성되고, 수로(10)의 입구(11)와 출구(12)는 각각 넓어졌다고 점점 좁아지는 부채꼴로 형성된다. 그러므로 수로(10)는 입구(11)와 출구(12)는 넓고 입구(11)와 출구(12) 사이의 수로(10)는 상대적으로 좁혀진 통로가 된다.
유도구조물(40, 41)은 수로(10)의 입구(11)와 출구(12)로부터 일정 각도로 설치되어 조류에 의한 해수의 흐름을 수로(10) 쪽으로 모아 유속을 빠르게 하는 것이다. 유도구조물(40, 41)은 수로(10)가 형성되는 호안(1)의 지형적인 조건에 따라 다양한 형태로 설치될 수 있다. 또한, 유도구조물(40, 41)은 콘크리트 차벽이나 블록 돌이나 테트라포드 등을 쌓아 만든 경사제나 파도를 몸체로 반사하는 직립제 또는 경사제와 직립제를 복합적으로 혼용한 혼성제 등의 방파제가 적용될 수 있다. 또한, 유도구조물(40, 41)은 하단은 해저에 고정되고 상부가 부력에 의하여 해수면을 따라 승강하는 구조물이 적용될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서, 수차(20)는 원통형으로 중심축(21)으로부터 방사상으로 일정 간격을 두고 설치된 복수의 간살(23) 단부에 복수의 날개(22)가 고정 결합된다. 이때, 날개(22)는 금속이나 수지판이 적용될 수 있고, 또는 합성섬유로 직조된 천으로 구성되어 수차(20)의 무게와 부식이 최소화되고, 소모성이기 때문에 교환이 쉽도록 하는 것이 좋다.
여기서 수차(20)의 중심축(21)에 세워지도록 연결된 다수의 간살(23)이 설치되고, 수차(20)는 필요한 만큼 다수의 간살(23)이 세워져 크게 분할된 원통 모양이 되며, 간살(23)과 간살(23)의 사이에는 복수의 플레이트 바(24)로 고정 지지하여 간살(23)의 비틀림과 휨을 방지함으로써 수차(20)를 변형 없이 지지해 주도록 한다.
상기 수차(20)의 중심축(21)에는 증속기(33)가 장착되어 발전기(35)의 회전속도를 증가시켜 기전력을 크게(e=B1v sinθ, B: 자속, l: 코일변의 길이, v: 속도, θ: 코일변과 자장이 이루는 각)할 뿐만 아니라, 발전기(35)의 소형화가 가능하여 쉽게 전기를 얻을 수 있다. 축받이(30)는 수차(20)의 중심축(21) 양측에 축 결합되어 수차(20)의 회전을 안정적으로 지지하는 것이다. 더욱이 수차(20)의 날개(22)는 수로(10)를 흐르는 해수면 아래에 설치되어 수로(10)를 통과하는 해수에 의해 수차(20)가 회전하도록 한다. 날개(22)는 해수의 면 접촉을 늘리기 위하여 다양한 형상이나 모양으로 제작될 수 있을 것이다.
또한, 수차(20)의 설치 때에 바람에 의한 압력으로부터 수차(20)를 보호할 수 있도록 하는 외벽을 설치할 수도 있다.
또한, 기초구조물(31)은 축받이(30)를 일정 높이로 고정 지지하는 것으로, 수차(20)를 일정 높이로 유지시키는 것이다. 더욱이 기초구조물(31)에는 필요에 따라 수차(20)를 승강시켜 수차(20)의 날개(22)가 해수면에 접촉되도록 하거나 또는 접촉되지 않도록 하는 수단이 부가될 수 있다. 또한, 수차(20)는 기초구조물(31)에 의하여 태풍이나 해일에 의해 해수면이 일시적으로 증가해도 침수로부터 안전을 유지할 수 있다.
발전기(35)는 수차(20)의 중심축(21)과 축 결합되어 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 출력하는 것이다. 그리고 증속기(33)는 수차(20)의 중심축(21)과 발전기(35) 사이에 축 결합되어 회전수를 증가시키는 것으로, 복수의 기어를 포함한다. 증속기(33)는 기어들의 기어비에 따른 접촉을 유도하여 증속도를 가감할 수 있을 것이다. 커플링(32)은 수차(20)의 중심축(21)과 증속기(33) 사이에 축 결합된 것으로, 수차(20)로부터 증속기(33) 및 발전기(35)를 분리할 수 있다. 또한, 수문(13)은 수로(10)의 입구(11) 또는 출구(12)에 설치되어 유입되는 해수의 흐름을 단속하는 것이다. 수문(13)은 수차(20)의 정비를 수월하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다른 실시 예로, 도 5에서, 수로(10)를 복수로 나누는 분리구조물(42)을 설치하는 경우에는 복수의 수로(10)에 각각 수차(20)를 설치함으로써 더 많은 전력을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예로, 도 6에서, 바다와 접하는 만과 같은 호안(1)에서는 조류의 흐름과 나란한 부분에 유도구조물(40, 41)을 복수로 설치하여 수로(10)를 형성함으로써 조류의 양방향 흐름에 따른 발전이 가능할 것이다.
이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템의 작용을 설명한다.
우선, 도 4에서, 수로(10)를 통과하는 물에 의하여 수차(20)를 돌릴 때, 상기 수로(10)의 폭이 넓은 입구(11)에서 폭이 좁은 수로(10)로 같은 양의 해수가 통과한다면, Q(해수의 유량)=A(단면적)ㅧV(유속)의 일반적 수식에 의하여, 수로(10)에서는 해수의 흐름이 빨라지게 되고, 이로 인하여 수차(20)의 날개(22)에 해수가 직접 접촉되어 수차(20)의 회전수는 증가하게 되고, 수로(10)의 깔때기 같은 입구(11)로 해수가 모여 좁은 수로(10)를 통과하면 흐르는 해수의 깊이도 깊어져 수차(20)를 돌리는 힘인 P(수압)=γ(비중량)ㅧz(깊이)=ρ(밀도)ㅧg(중력가속도)ㅧz(깊이)이므로 수압이 상승하게 되어 수차(20)의 회전력이 증가하게 되는 것이다.
또한, 수차(20)의 지름을 크게 하여 수차(20)의 중심축(21)을 높이면, P(회전력)=F(힘)ㅧL(수차의 지름)의 수식에 의하여 적은 해수의 흐름에도 수차(20)의 회전력이 증가하게 된다.
이와 같이 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템은 조류를 활용하여 응용한 발전방식이지만, 해수의 조수 간만의 차를 이용한 친환경적인 발전 방식으로서 해수의 적은 흐름에 저비용 건설비와 간편한 설비 운영으로 고부가가치의 전기를 생산할 수 있으며 자연훼손과 환경오염이 없기 때문에 태양광이나 풍력 못지않은 에너지로 각광받을 것으로 예상된다.
또한, 유도구조물에 의하여 수로에 빠른 유속이 형성되도록 유량 대비 수로의 폭을 최소화시켜 자연법칙에 의한 회전속도와 회전력을 최대로 증가시키고, 좁은 수로 폭은 수차의 폭을 작게 만들 수 있으며, 수차의 지름을 최대로 크게 제작하여 수차의 중심축을 높게 설치한다면 큰 회전력을 얻을 수 있고, 수차의 중심축에 증속기를 사용하여 회전속도를 증가시켜 기전력을 증대시키며, 수차의 유지보수를 쉽게 하며 날개를 천 계열로 구성하면 수차의 하중을 줄여 축받이를 보호하고 수차의 회전이 원활하도록 함으로써, 적은 비용의 건설비와 간단한 설비 운영으로 전기를 얻을 수 있는 매우 친환경적인 조류 발전 시스템을 제공한 장점이 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 청구범위에 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: 호안 10: 수로 11: 입구 12: 출구 13: 수문 20: 수차 21: 중심축 22: 날개 23: 간살 24: 플레이트 바 30: 축받이 31: 기초구조물 32: 커플링 33: 증속기 34: 발전축 35: 발전기 40, 41: 유도구조물 42: 분리구조물

Claims (1)

  1. 일측은 조수 간만의 차가 형성되는 바다와 조류의 흐름이 나란한 호안(1)이고, 타측은 호안(1)과 일정 거리를 두고 일정한 폭으로 형성되되, 입구(11)와 출구(12)는 각각 넓어졌다고 점점 좁아지는 부채꼴로 형성되는 복수의 수로(10);
    상기 수로(10)의 입구(11)와 출구(12)로부터 일정 각도로 설치되어 조류에 의한 해수의 흐름을 각 수로(10) 쪽으로 모아 유속을 빠르게 하는 유도구조물(40, 41);
    원통형으로 중심축(21)으로부터 방사상으로 일정 간격을 두고 설치된 복수의 간살(23) 단부에 결합된 복수의 날개(22)가 구비되되, 날개(22)는 알루미늄, 수지판 또는 합성섬유 중에서 어느 하나로 직조된 천으로 이루어지고, 상기 간살(23) 사이에 간살(23)의 변형을 방지하기 위하여 복수의 플레이트 바(24)가 결합되며, 중심축(21) 양측에 축받이(30)가 축 결합되며, 상기 날개(22)가 수로(10)를 흐르는 해수면 아래에 설치되어 수로(10)를 통과하는 해수에 의해 회전하는 수차(20);
    상기 축받이(30)를 일정 높이로 고정 지지하는 기초구조물(31);
    상기 수차(20)의 중심축(21)과 축 결합되어 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 출력하는 발전기(35);
    상기 수차(20)의 중심축(21)과 발전기(35) 사이에 축 결합되어 회전수를 증가시키는 증속기(33);
    상기 수차(20)의 중심축(21)과 증속기(33) 사이에 축 결합되어 서로 분리가 가능하도록 이루어진 커플링(32);
    상기 수로(10)의 입구(11) 또는 출구(12)에 설치되어 유입되는 해수의 흐름을 단속하는 수문(13), 및
    상기 수로(10)를 복수로 나누고, 나누어진 수로(10) 각각에 거치된 수차(20)의 중심축(21) 일단을 지지하며, 각 수로(10)마다 수문(13)이 각각 설치된 분리구조물(42)을 포함하여 이루어진 유도구조물에 의한 양방향 조류 발전 시스템.
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