KR20020066123A - 수차식 파력발전장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수차식 파력발전장치 및 방법에 관한 것으로, 그 목적은 수차를 이용하여 해양파로부터 가용에너지를 추출하여 전기를 생산함으로 종래의 압축공기식에 비해 구조가 간단하고 제작이 용이하며, 대용량의 발전을 할 수 있는 파력발전장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 부선과 같은 대형 부유체(floating platform)를 수직으로 관통하게 설치한 다수개의 원통형 도관과, 상기 각 도관의 상부로 부유체에 설치된 다수개의 발전기와, 상기 발전기와 동력전달축에 의해 연결되며 도관 내부에 설치된 수차로 구성된 파력발전장치와, 상기와 같이 부유체에 수차를 설치하여 부유체의 히브(Heave)운동과 피치(Pitch)운동에 의하여 발생하는 수차의 회전력으로 발전기를 구동하는 방법으로 구성되었다.

Description

수차식 파력발전장치 및 방법{Wave power generating apparatus and method thereof using water-turbine}

본 발명은 수차식 파력발전장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수차를 이용하여 해양파로부터 가용에너지를 추출하여 전기를 생산함으로 종래의 압축공기식에 비해 구조가 간단하고 제작이 용이하며, 대용량의 발전을 할 수 있는 파력발전장치 및 방법에 관한 것이다.

해양파 에너지(Ocean wave energy)는 태양에너지와 함께 아무리 사용하여도 고갈되지 않는 무한청정에너지라고 할 수 있으며 인류의 미래를 위한 대체 에너지원(Energy source)으로서의 큰 기대를 가지고 가용에너지 추출방법에 대하여 오랫동안 연구를 수행하여 왔다.

해양파가 지나갈 때 단위길이의 파도띠에 대한 가용 파도에너지는 다음의 식으로 표시된다.

위의 방정식에서 기호 E, rho , g, A는 다음을 나타낸다.

E = 단위길이당 파도에너지 (newton-meter/m)

rho = 해수의 밀도 (104.61269 kg-secA²/m⁴)

g = 중력가속도 (9.80665 m/sec²)

A = 파도의 진폭 (meter)

예를 들어 진폭이 2m인 파도띠가 10초에 한번씩 지나갈 때 단위길이의 파도띠에 함유된 에너지는 대략 4,000 newton-meter가 되며 10m 파도띠에 대한 동력(power)은 시간당 약 1,500kw에 이르게 된다.

이와 같이 작은 파도의 조그만 부분에도 엄청난 양의 에너지가 함유되어 있을 뿐만 아니라 아무리 사용해도 고갈되지 않는 무한정한 파도에너지로부터 전기를 생산하는 파력발전에 대하여 오래 전부터 연구가 수행되어 왔다.

오늘날 파도에너지로부터 전기를 생산하는 파력발전 방식은 거의 압축 공기방식을 채택하고 있고, 이 방식은 도 5에 도시한 바와 같이 수면 위에 떠 있는 밀폐된 용기(110)위에 공기가 통하는 홀(120)이나 관을 설치하여 파도(130)의 산이 용기(110)를 지날 때는 공기를 빨아들이게 되므로 공기가 안으로 들어오게 되는 것이다.

상기와 같은 방법을 이용하여 즉 공기의 흐름을 이용하여 공기 터빈(140)을 돌리고 공기 터빈(140)이 발전기(150)를 구동시키도록 하여 발전을 하는 것이다.

이와 같은 압축 공기식 파력발전방식은 이미 많은 개발이 이루어져 있고 이웃 나라인 일본에서는 방파제에 상기와 같은 방식을 적용하여 약 60㎾/hr 규모의압축 공기식 파력발전소를 건설한 바도 있다.

그러나 상기와 같은 압축공기식 파력발전 방식은 초기 투자비가 높고 투자에 비하여 효율이 낮으며 특히 큰 출력을 낼 수 없기 때문에 대용량 발전기로는 부적합하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 수차를 이용하여 해양파로부터 가용에너지를 추출하여 전기를 생산함으로 종래의 압축공기식에 비해 구조가 간단하고 제작이 용이하며, 대용량의 발전을 할 수 있는 파력발전장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은 부선과 같은 대형 부유체를 수직으로 관통하게 설치한 다수개의 원통형 도관과, 상기 각 도관의 상부로 부유체에 설치된 다수개의 발전기와, 상기 발전기와 동력전달축에 의해 연결되며 도관 내부에 설치된 수차로 구성된 파력발전장치와, 상기와 같이 부유체에 수차를 설치하여 부유체의 히브운동과 피치운동에 의하여 발생하는 수차의 회전력으로 발전기를 구동하는 방법으로 구성되었다.

도 1 은 수차식 파력발전장치의 개념도

도 2 는 수차의 형상을 나타낸 평면도

도 3 은 수차의 형상을 나타낸 측면도

도 4 는 수차의 일방향 회전 개념도

도 5 는 압축공기식 파력발전장치의 개념도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) 발전기 (2) 수차

(3) 도관 (4) 부유체

(5) 동력전달축 (6) 파도

(7) 베어링 (8) 브라켓

(9) 흡·배기구

(10) 중심선 (11) 날개중심선

(20) 히브운동 (21) 피치운동

(110) 용기 (120) 홀

(130) 파도 (140) 공기 터빈

(150) 발전기

첨부도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 수차식 파력발전장치의 개념도이고,

도 2 는 수차의 형상을 나타낸 평면도이고,

도 3 은 수차의 형상을 나타낸 측면도이며,

도 4 는 수차의 일방향 회전 개념도를 도시한 것으로서,

본 발명은 부선과 같은 대형 부유체(4)를 수직으로 관통하게 설치한 다수개의 원통형 도관(3)과, 상기 각 도관(3)의 상부로 부유체(4)에 설치된 다수개의 발전기(1)와, 상기 발전기(1)를 부유체(4)에 고정지지하는 베어링(7) 및 브라켓(8)과, 상기 발전기(1)와 동력전달축(5)에 의해 연결되며 도관(3) 내부에 설치된 수차(2)로 구성된 파력발전장치와, 상기와 같이 부유체(4)에 수차(2)를 설치하여 부유체(4)의 히브운동(20)과 피치운동(21)에 의하여 발생하는 수차(2)의 회전력으로 발전기(1)를 구동하는 방법으로 구성되었다.

상기 수차(2)의 날개에는 공동현상이 발생할 정도의 빠른 유속이 나타나지 않기 때문에 무리한 힘을 받지 않게 되므로 날개의 강도를 고려한 날개의 개수는 2개로 하여 효율, 경제성 및 제작이 용이한 구조를 갖고, 날개의 윗면은 날개가 회전할 때 날개의 팁이 도관(3)에 접촉하여 손상을 입지 않을 정도로 넓게 설계하여 상대적으로 큰 회전력을 가질 수 있게 구성하였다. 또한 수차(2)의 초기 회전력은 캠버효과(camber effect)에 전적으로 의지하기 위해 날개중심선(11)이 곡률을 가지도록 하였으며, 중심선(10)을 기준으로 좌우가 기하학적으로 대칭인 날개의 형상을 갖도록 하여 유체의 상하운동 모두에 받음각효과(angle of attack)가 나타나 부유체(4)의 상하운동에 관계없이 일방향으로 회전하도록 수차(2)의 날개를 구성하였다.

수차(2)가 일방향으로 회전하는 원리에 대해 설명하면, 날개의 단면이 중심선(10)을 기준으로 대칭이며 곡률을 갖는 경우, 유체흐름 방향(a)에서 날개에 작용하는 양력은 우측으로 발생하여 유체흐름 방향(b)에서도 동일하게 우측으로 양력이 발생하기 때문에 날개는 일방향으로 회전하게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 구성으로 바다에 파도가 칠 때 부유체(4)는 수직운동, 즉 히브운동(20) 및 상하방향의 회전운동, 즉 피치운동(21)을 하게되고, 이에 따라 부유체(4) 하부에 설치된 수차(2) 역시 해수 속에서 상하운동을 하게 되며 이때 유체의 상대운동으로 인하여 수차(2)가 회전하게 되므로, 수차(2)에 연결된 동력전달축(5)에 의해 수차(2)의 회전력이 발전기(1)로 전달되므로 발전기(1)를 구동하게 되는 것이다.

(변형예, 응용예 및 법적해석)

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 구조가 간단하고 제작이 용이하며, 운영 및 보수가용이하고, 초기투자 및 운영비가 극히 저렴하며, 필요에 따라 장소의 변경, 즉 이동이 가능하다는 점과 대용량의 발전이 가능하여 대규모의 산업용 발전을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 부유체를 수직으로 관통하게 설치한 다수개의 도관과, 상기 각 도관의 상부로 부유체에 설치된 다수개의 발전기와, 상기 발전기와 동력전달축에 의해 연결되고 도관 내부에 설치된 수차로 구성된 것을 특징으로 하는 수차식 파력발전장치.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 수차는 2개의 날개와, 상기 각 날개중심선(11)이 곡률을 가지도록 구성되고, 중심선(10)을 기준으로 좌우가 기하학적으로 대칭인 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 수차식 파력발전장치.
3. 부유체를 수직으로 관통하게 설치한 다수개의 도관과, 상기 각 도관의 상부로 부유체에 설치된 다수개의 발전기와, 상기 발전기와 동력전달축에 의해 도관 내부에 연결·설치된 수차를 이용하여,

   파도에 의한 상기 부유체의 히브운동과 피치운동에 의하여 발생하는 수차의 회전력으로 발전기를 구동하여 발전하는 것을 특징으로 하는 수차식 파력발전 방법.