KR200395997Y1 - 조류발전용 수차 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 조류발전용 수차에 관한 것으로, 해수의 물살에 의해 회전하여 발전기를 발전시키는 수차가 저속의 물살에도 회전될 수 있도록 함을 목적으로 한다.
개시된 본 고안에 따른 조류발전용 수차는, 발전기에 회전력을 전달하는 회전축이 연결되는 허브, 상기 허브의 둘레부에 회전 가능하게 설치되는 다수의 베인으로 이루어져, 물살에 의해 강제로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 것으로, 자중을 보상하여 상기 수차가 수중에 부유하도록 지지하는 부력체(120)가 더 포함된다. 상기 회전축에는 상기 수차가 회전에 의해 부유하지 않도록 지지하는 링형상의 중량체(140)가 더 장착될 수 있다.

Description

조류발전용 수차{A WATER TURINE FOR TIDAL CURRENT POWER PLANT}
본 고안은 조류발전용 수차에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물살의 흐름에 대한 저항을 최소화하면서 큰 회전력을 얻을 수 있도록 한 조류발전용 수차에 관한 것이다.
전력의 생산 방법은, 화력 발전, 원자력 발전, 수력 발전, 태양열 발전, 풍력 발전, 조력 발전 등이 있다. 상기에서 화력 발전 및 원자력 발전은 열에 의해 발생된 증기로 발전기 내의 터빈(turbine)을 회전시켜 전기를 발생하는 것이고, 수력 발전은 댐에 저수된 물의 낙차에 의해 터빈을 회전시켜 전기를 발생하는 것이다.
그러나, 상기한 화력 발전은 석탄 또는 석유 등의 화석연료를 에너지원(energy source)로 사용하는 것으로 발전소의 건설비가 상대적으로 저렴하나 화석연료 등의 매장량이 한계가 있어 점차 고갈되며 환경을 오염시키는 문제점이 있다.
그리고, 원자력 발전은 우라늄 등의 방사능 물질을 핵분열시킬 때 발생되는 막대한 양의 열을 에너지원으로 사용하는 것으로 발전 용량이 크나, 방사능에 의한 환경 오염이 심각한 문제점이 있다. 또한, 수력발전은 댐에 의해 저수된 물의 위치에너지를 낙차시켜 얻는 회전 에너지로 변환시키는 것으로 발전 원가가 낮으나, 발전소가 건설되는 지역이 제한되며 넓은 면적의 땅이 수몰되어야 하는 문제점이 있다.
따라서, 오래전부터 상기한 화력 발전, 원자력 발전 및 수력 발전을 대체할
청정대체에너지에 대한 관심 및 그 이용에 대한 실질적인 장치의 개발을 위한 연구와 노력이 이루어져 왔다.
일반적으로 청정대체에너지는 태양에너지(solar energy), 풍력에너지(wind nergy), 조류력(조류)(current energy), 조력에너지(tidal energy), 지열에너지(geo-thermal energy), 생화학에너지(bio-chemical energy) 등이 있다.
우리나라에서도 최근 남해안의 10놋트 이상의 고속 조류가 발생되는 지역이 대두되면서 조류에너지를 이용한 대용량의 발전장치의 모색이 이루어지고 있다.
종류 조류발전장치는, 해수의 물살에 의해 회전하는 수차와; 상기 수차의 회전력을 전달하는 회전축과; 상기 회전축으로부터 회전력을 전달받아 발전하는 발전기를 기본 구성요소로 한다.
상기 수차는 프로펠러형, 헬리컬 터빈, 가변형 개폐판 등 다양한 종류가 제안된 바 있다.
그러나, 종래 기술에 의하면, 수차가 물살에 의해 회전할 때 발전효율을 높이기 위해서는 저항이 없어야 하는데, 수차의 자중은 물살의 흐름에 대한 저항요소로 작용함에 따라 발전효율이 저하되고, 특히, 물살의 속도가 저속인 조건에서는 수차가 자중에 의해 회전하지 못하여 수차이 스타트 구동을 위한 별도의 구동원을 사용하는 문제점이 있다.
본 고안은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저속의 물살에서 별도의 구동원을 사용하지 않고 물살에 의해서만 회전될 수 있도록 한 조류발전용 수차를 제공하려는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 조류발전용 수차는, 수중에 잠기며 물살에 의해 회전하는 수차 본체 및 상기 수차 본체의 중량을 "0"으로 보상하는 부력수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 부력수단은 내부에 에어가 충진되는 에어탱크, 스티로폼 등이 사용 가능하다.
본 고안의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 고안자가 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
< 실시예 1 >
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 조류발전용 수차(100)는, 해수의 물살에 강제로 회전하면서 이 회전력을 발전기에 연결된 회전축에 전달하는 것으로, 물살에 의해 회전하는 수차 본체(110) 및 수차 본체(110)를 소정 수심에 부유하도록 지지하는 부력체(120)로 구성된다. 즉, 부력체(120)의 부력을 수차 본체(110)의 중량과 동일하게 하여 수차 본체(110)의 중량을 "0"으로 함으로써 저속의 물살에도 수차(100)가 별도의 구동력없이 셀프 스타트(self-start)할 수 있는 것을 특징으로 한다.
수차 본체(110)는, 회전축(200)과 연결되는 허브(111), 허브(111)의 상하부에 각각 수평으로 형성되는 상하 플랜지(112,113), 허브(111)의 둘레부에 방사상으로 배치되며 허브(111)에서 먼거리측 단부가 상하 플랜지(112,113)에 회전 가능하게 결합되어 허브(111)에 근접한 자유단부가 물살에 의해 회전하는 다수의 베인(114)(베인(114)의 수량, 형상 및 크기는 도면에 도시된 것에 한정되지 않는다), 허브(111)의 둘레면에 베인(114)과 일대일 대응되도록 돌출 형성되며 베인(114)의 자유단부와 접촉됨으로써 베인(114)의 회전을 구속하는 스토퍼(111a)로 이루어질 수 있다.
부력체(120)는 도 4a와 도 4b에서 각각 보이는 것처럼, 내부에 에어가 충진된 에어 탱크(121), 스티로폼(122) 등이 사용될 수 있다. 에어 탱크(121)는 수차 본체(110)의 중량에 따라 부력의 크기를 조절할 수 있도록 에어 주입/배출구(121a)가 형성되어 수차 본체(110)의 중량에 따라 에어의 충진량을 조절할 수 있는 장점이 있다.
부력체(120)는 수차 본체의 어느 곳에 장착되어도 무방하지만, 조류발전용 수차(100)로서 물살의 저항을 최소화하는 것이 중요하므로 허브(111)의 내부에 장착되는 것이 바람직하다. 즉, 부력체(120)는 물살에 의한 저항을 최소화할 수 있도록 폭보다 길이가 긴 박스형으로 이루어져 허브(111)의 내부에 삽입 고정되며 내부에는 회전축(200)이 관통 고정된다. 여기서, 도 1과 도 3에서와 같이, 수차(100)의 회전력이 회전축(200)에 전달되도록 하기 위해서는 허브(111), 부력체(120) 및 회전축(200) 간에 공회전이 발생되지 않아야 하므로 부력체(120)의 외곽은 각형(예를 들어 사각형)으로 이루어져 허브(111)의 바닥부에 안착되고, 회전축(200)의 도중에는 나사부(211)가 형성되어 나사부(211)에 너트(210)가 체결됨으로써 부력체(120)가 회전축(200)에 고정될 수 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 수차 본체(110)와 회전축(200)은 고정프레임(130)을 통해 소정 수심에 부유한다. 고정프레임(130)은 상하 수평플레이트(131,132), 상하 수평플레이트(131,132)들을 관통하면서 하단부가 수중에 고정되는 다수의 앵커(133)로 구성되고, 회전축(200)은 상하 수평플레이트(131,132)에 회전 및 상하로 이동 가능하게 설치된다.
한편, 수차(100)가 물살에 의해 회전하게 되면 회전력에 의해 부유력이 발생되어 수차(100)가 상승할 수 있는데, 수차(100)는 설치 위치를 고수하는 것이 바람직하므로 수차(100)가 회전시 상승하지 않도록 중량체(140)가 더 채용된다. 중량체(140)는 링형태로 이루어져 너트(210)의 하부나 상부에 끼워진다. 즉, 중량체(140)의 중량에 의해 수차(100)가 상승하지 않고 제자리에서 회전될 수 있는 것이다.
부력체(140)는 물살의 저항을 최소화하기 위하여 폭보다 길이가 길게 형성되지만, 폭을 줄이는데 한계가 있기 때문에 부력체(120)에 의해 저항이 발생될 수 밖에 없으며, 부력체(120)에 의한 저항을 최소화하기 위하여 부력체(120)의 전방에는 해수가 부력체(120)를 우회하여 베인(114)으로 흐르도록 유도하는 가이드(150)가 더 채용될 수 있다. 가이드(150)는 중앙을 중심으로 하여 양측이 후방으로 갈수록 곡선형으로 형성되고, 상하부에 각각 연장된 고정바(151)를 통해 프레임(130)의 상하 수평플레이트(131,132)에 연결될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예에 의한 조류발전용 수차의 작용은 다음과 같다.
수차(100)는 수차 본체(110)의 허브(111) 내부에 부력체(120)를 삽입하고, 회전축(200)을 부력체(120) 내부에 삽입한 후 너트(210)를 회전축(200)의 나사부(211)에 체결함으로써 수차 본체(110), 부력체(120) 및 회전축(200)을 일체화한다.
회전축(200)의 상하부를 고정프레임(130)의 상하 수평플레이트(131,132)에 각각 회전 가능하게 결합하여 본 실시예에 따른 수차(100)의 설치를 완료한다.
이 상태에서 물살이 발생되면 해수가 수차(100)쪽으로 흐르게 되며, 해수는 가이드(150)의 경사를 따라 부력체(120)에 부딪치지 않고 다수의 베인(114)측으로만 흐르게 된다.
물살에 의해 다수의 베인(114)은 자유단부가 회전되며, 이때, 도 2 기준으로 정중앙에서 좌측에 배치된 베인(114)들은 스토퍼(111a)에 의해 막힌 상태를 유지하고, 우측의 베인(114)들은 열린 상태를 유지함에 따라 수차 본체(110)가 반시계 방향으로 회전하게 된다. 이때, 부력체(120)의 부력에 의해 수차(100)는 중량이 "0"인 상태이므로 저속의 물살에 의해서도 회전할 수 있다.
그리고, 수차(100)가 회전하게 되면 회전력에 의한 부력이 발생되어 수차(100)가 상승되려하지만, 중량체(140)가 채용된 경우 중량체(140)의 중량에 의해 수차(100)는 상승하지 못하고 현위치를 유지한 상태로 회전할 수 있다.
수차(100)가 회전함에 따라 물살의 방향에 의해 베인(114)의 각도가 변하면서 수차(100)가 지속적으로 회전될 수 있으며, 이 회전력이 회전축(200)을 통해 발전기에 전달되어 발전이 이루어진다.
< 실시예 2 >
도 5에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 따른 조류발전용 수차(100)는, 수차 본체(110)의 허브(111) 내에 부력체(120)가 삽입 고정되고, 부력체(120) 중앙에 회전축(200)이 관통 고정되는 것은 전술한 실시예 1과 동일하며, 수차 본체(110)의 둘레부에 일정 간격을 두고 조류개폐판(115)이 설치된다. 조류개폐판(115)의 설치구조는 다음과 같다.
허브(111)의 둘레부에는 조류개폐판(115)의 형상을 갖는 회전틀(116)이 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 형성되며(바람직하게 90°간격으로 대칭형으로 형성), 회전틀(116)의 내부에는 조류개폐판(115)의 일측(예컨대, 상부)이 회전 가능하게 설치된다. 이때, 조류개폐판(115)이 일방향으로만 회전되도록 회전틀(116)에는 회전방지턱(116a)이 형성된다.
본 실시예에 따른 조류발전용 수차(100)에 의하면, 해수가 조류개폐판(115)으로 흐르게 되면, 허브(111)를 중심으로 하여 일측(도면 기준 좌측)은 조류개폐판(115)이 회전방지턱(116a)에 의해 닫힌 상태를 유지하면, 허브(111)를 중심으로 타(우측)측의 조류개폐판(115)은 회전방지턱(116a)의 구속을 받지 않으므로 회전되어 회전틀(116)이 열리게 되고, 따라서, 물살에 의해 우측 조류개폐판(115)이 밀리게 되므로 회전틀(116)과 함께 회전축(200)이 회전하게 된다.이때, 부력체(120)의 부력에 의해 수차(100)는 중량이 "0"인 상태이므로 저속의 물살에 의해서도 회전할 수 있다.
그리고, 수차(100)가 회전하게 되면 회전력에 의한 부력이 발생되어 수차(100)가 상승되려하지만, 중량체(140)가 채용된 경우 중량체(140)의 중량에 의해 수차(100)는 상승하지 못하고 현위치를 유지한 상태로 회전할 수 있다.
수차(100)가 회전함에 따라 조류개폐판(115)이 개폐되면서 수차(100)가 지속적으로 회전될 수 있으며, 이 회전력이 회전축(200)을 통해 발전기에 전달되어 발전이 이루어진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 조류발전용 수차에 의하면, 수차가 부력체에 의해 부유하여 수차는 자중이 없는 상태이므로 저속의 물살에도 셀프 스타트가 가능하여 스타트를 위한 별도의 구동력이 불필요하므로 제조원가/유지보수 비용을 절감할 수 있고, 장비를 간소화할 수 있다.
이상, 본 고안을 본 고안의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 고안은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 고안에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 고안의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1은 본 고안의 실시예 1에 따른 조류발전용 수차의 사시도.
도 2는 본 고안의 실시예 1에 의한 조류발전용 수차의 평면도.
도 3은 본 고안의 실시예 1에 의한 조류발전용 수차의 측면도.
도 4a와 도 4b는 각각 본 고안의 실시예 1에 따른 조류발전용 수차에 적용된 부력체의 예시도.
도 5는 본 고안의 실시예 2에 따른 조류발전용 수차의 구성도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100 : 수차, 110 : 수차 본체
111 : 허브, 112,113 : 플랜지
114 : 베인, 115 : 조류개폐판
116 : 회전틀, 120 : 부력체
130 : 고정프레임, 131,132 : 수평플레이트
133 : 앵커, 140 : 중량체
150 : 가이드, 200 : 회전축

Claims (6)

  1. 발전기에 회전력을 전달하는 회전축이 연결되는 허브, 상기 허브의 둘레부에 회전 가능하게 설치되는 다수의 베인으로 이루어져, 물살에 의해 강제로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 조류발전용 수차에 있어서,
    상기 수차의 중량을 보상하여 상기 수차가 수중에 부유하도록 지지하는 부력체(120)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 조류발전용 수차.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전축에는 상기 수차가 회전에 의해 부유하지 않도록 지지하는 링형상의 중량체(140)가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 조류발전용 수차.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 부력체의 전방에는 물살이 상기 부력체를 우회하여 상기 베인을 향하도록 유도하는 곡선형 가이드(150)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 조류발전용 수차.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 부력체는 에어 탱크(121), 스티로폼(122)를 포함하는 군 중 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 조류발전용 수차.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 부력체는 외곽이 각형으로 이루어져 상기 허브에 삽입되며, 상기 회전축은 상기 부력체 중앙에 관통 고정되고, 상기 회전축의 도중에는 상기 부력체가 빠지지 않도록 지지하는 너트(210)가 체결되는 것을 것을 특징으로 하는 조류발전용 수차.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 수차는, 상하 방향으로 배치되는 중앙의 허브, 상기 허브의 둘레부에 원주방향을 따라 상하 방향으로 배치되며 상기 허브에서 먼거리측 단부를 중심으로 하여 자유단부가 수평방향으로 회전되는 다수의 베인 및 상기 허브의 둘레부에 상기 베인과 일대일 대응되도록 형성되어 상기 베인의 자유단부와 접촉됨으로써 상기 베인의 회전을 구속하는 스토퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조류발전용 수차.
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KR101884566B1 (ko) 2017-05-24 2018-08-01 최진영 접철식 수차날개를 갖는 수차

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