KR200458527Y1 - Maximize Method of Converting efficiency Tidal current energy to Wind generating energy - Google Patents
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Abstract
본 고안은 [대표도]와 같이 수면 아래에 압력 강하 효율이 높은 분사펌프관 (001)을 병렬로 연결하여 설치하고 이 관(管)을 통과하는 조류(제1유체)의 유속이 증가함에 비례하여 압력이 강하되는 원리를 이용, 분사펌프관 내 최저 압력 발생지점(009)에 공기유도관을 연결(003)하므로서 두 관(管) 사이의 기압차에 의해 공기유도관 내 제2유체(공기)가 해수(물)차단막(009)으로 보호되어 있는 연결통로(유입구)를 통해 분사펌프관으로 유입, 분산될 수 있도록 구성되었다.
또한, 하나의 공기유도관(002)에 다수의 분사펌프관을 병렬로 연결하므로서 흡입효과(Suction effect)를 배가시켜 수면 위로부터 유입된 공기가 분사펌프관을 경유하여 해수(물) 속을 통과, 대기로 돌아가는 연속적인 순환과정을 창출하고, 공기유도관 내 제2유체(공기)의 흐름이 증속되도록 유도하여 풍력발전효율을 기대 가능한 수준까지 극대화시키기 위한 방법을 채택하였다.
그리고 공기유입부[도 2의 (다)]를 수면 위의 바람방향에 맞추어 입사되는 바람으로 공기유도관내 풍압을 증가시켜 위와 같이 유도된 공기유도관 내 공기의 흐름을 증속할 수 있도록 구성하여 공기유도관 내에 설치된 회전자(005)를 통해 공기의 운동에너지를 회전에너지로 전환하는 효율을 극대화 한 후, 자석과 유도코일을 이용하여 전기를 발전(006)시키므로서 본 고안의 목적을 달성하고자 했다.
아울러 조류에너지를 풍력에너지로 전환하여 효율 높은 조류발전장치를 연구 개발 및 실용화하기 위하여 관련된 물리량을 분석하여 도출한 이론식을 통해 본 고안의 효율을 극대화시킬 수 조합을 이론적으로 추론할 수 있는 방안을 제시하였다.The present design is proportional to the flow rate of the algae (first fluid) passing through the pipe by installing and installing the injection pump pipe (001) with high pressure drop efficiency in parallel under the water surface as shown in [Representative Diagram]. By using the principle of pressure drop, the air guide pipe is connected to the lowest pressure generating point (009) in the injection pump pipe (003), so that the second fluid (air) in the air guide pipe due to the air pressure difference between the two pipes ) Is configured to be introduced and dispersed into the injection pump pipe through a connection passage (inlet) protected by a seawater (water) barrier (009).
In addition, by connecting a plurality of injection pump pipes to one air induction pipe 002 in parallel, the suction effect is doubled so that the air introduced from above the water passes through the injection pump pipe and passes through the seawater (water). , Adopted a method to maximize the wind power efficiency to an expected level by creating a continuous circulation process returning to the atmosphere and inducing the flow of the second fluid (air) in the air induction pipe to increase.
And the air inlet part [Fig. 2(c)] is configured to be able to increase the air flow in the air induction pipe by increasing the wind pressure in the air induction pipe with the incident wind in accordance with the wind direction on the water surface. After maximizing the efficiency of converting kinetic energy of air into rotational energy through the rotor (005) installed in the induction pipe, the purpose of the present invention was to be achieved by generating electricity (006) using a magnet and an induction coil. .
In addition, a method to theoretically infer a combination that can maximize the efficiency of the present invention through a theoretical formula derived by analyzing related physical quantities in order to research and develop and commercialize an efficient tidal current generator by converting tidal energy into wind energy Did.
Description
본 고안은 조류에너지를 이용하는 장치에 관한 것으로, 특히 조류에너지를 풍력에너지로 변환하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device that uses algal energy, and more particularly, to a device for converting algal energy into wind energy.
1. 이종유체(異種流體) 간의 압력 및 밀도 차이를 이용한 분사펌프, 수류펌프 등의 기술1. Technology of injection pump, water flow pump, etc. using pressure and density difference between heterogeneous fluids
2. 풍력발전기술2. Wind power generation technology
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1. 본 고안은 아래와 같은 특성을 갖는 특허문헌 1 및 기존 조류발전의 문제점을 해결하고자 한다.1. The present design is intended to solve the problems of
① 특허문헌 1의 개요① Outline of
위 특허문헌 1은 강 어귀 또는 해변 근처에 벤튜리(Venturi)유량계의 원리를 이용한 벤튜리관(또는 다중 벤튜리관)을 설치하여 이 관을 지나는 제1유체(조류 또는 강의 흐름)의 속도를 증가시킨 후, 벤튜리관의 흡입효과를 이용 제2유체(물)을 수면 위로부터 수면 아래의 밴튜리관으로 유입 흘러 보내므로서 흡입유관 내 유도된 유체(물)의 흐름으로 원심력펌프를 가동시켜 전기를 생산한다는 것으로 본 고안과 무관함(이용하는 제2유체가 다름)
② 특허문헌 2의 개요② Outline of
위 특허는 동일인이 출원한 특허문헌 1과 유사한 것으로 강(바다)에 벤튜리(Venturi)유량계의 원리를 이용한 벤튜리관과 이 관의 끝에 이 관을 지나는 제1유체(조류 또는 강의 흐름 )의 속도를 증가시키기 위한 다중벤튜리관을 설치한 후, 벤튜리관의 흡입효과를 이용 수면 위에서 제2유체(공기)를 흡입하여 수면 아래로 유도한 다음 수면 아래에 구성한 방(Chamber)에서 기압차(대기압과 수압)를 이용 제1유체(해수 또는 물)에서 제2유체를 이탈시켜 수면 위에 설치된 공기유입구로 분리된 공기가 다시 흡입될 수 있도록 하는 공기의 순환회로(380→255→270→265→290→230→380, 위 특허의 Fig.5 참조)를 구성하고, 이로부터 유도된 공기의 흐름을 이용 구동엔진을 돌려 전기를 생산한다는 것으로 본 고안과 유사성은 있으나 물리적 구성요소와 원리가 다름. The above patent is similar to
③ 특허문헌 2가 해결하고자 한 기존조류발전의 문제점③ Problems of existing algae development that
특허문헌 2는 기존 조류발전시스템이 조류방향, 해양생물 및 해양부유물 등에 의해 회전축, 회전자(프로펠러) 및 지지구조물 등이 파손되는 등의 다양한 문제를 해결하기 위해 조류의 흐름으로부터 에너지를 추출하고자 하였다.
④ 특허문헌 2의 문제점④ Problems of
a. 열역학법칙에 근거 기존조류발전에 비해 효율이 떨어지는 고안임에도 불구하고 해수(물)가 비교적 긴 폐쇄회로관(255)을 거쳐 바다(강)로 돌아 가도록(275, 210) 구성되어 있어, 해수유입구(250) 또는 회로관이 해양생물 또는 해양부유물 등에 의해 막혔을 경우 그 기능이 마비되어 기존조류발전설비 보다 더 심각한 장애를 유발할 수 있는 구조적 문제점이 있다.[위 특허 Fig.5 참조] a. Based on the law of thermodynamics, it is designed to return to the sea (river) through the relatively long closed circuit tube 255 (275, 210), despite the design being less efficient than the existing algae power generation. 250) Or, if the circuit tube is blocked by marine life or marine floating matters, its function is paralyzed, and there is a structural problem that can cause more serious obstacles than existing algae generation facilities. [See Fig. 5 above]
b. 이종유체의 혼합과 분리라는 난해한 물상변화를 반복시켜 유도한 공기의 흐름을 이용 발전을 함에 있어 이종유체인 공기와 물이 비점성 이상유체가 아니므로, 공기의 순환을 빠르게 하기 위해 비례관계에 있는 해수의 배출속도가 증가시키면 기압차(해수압과 대기압)에 의해 분리되는 공기의 양보다, 물에 섞여 배출되는 공기의 양이 더 많아져 효율이 떨어지는 문제가 있다.[위 특허 Fig.5 참조] b. In developing electricity using the flow of air induced by repeating the difficult water phase change of mixing and separation of heterogeneous fluids, the heterogeneous air and water are not non-viscosity ideal fluids, so they are in a proportional relationship to accelerate the circulation of air. When the discharge rate of seawater increases, there is a problem that efficiency decreases because the amount of air discharged by mixing with water increases more than the amount of air separated by air pressure differences (seawater pressure and atmospheric pressure). ]
c. 방(chamber, 270)에서 기압차를 이용 공기를 분리시키기 위해 수면 아래로 체적 (πr2×h2)인 빈 공기관을 연결하여 방에서 분리된 공기가 이관을 따라 수면 위에 설치된 순환회로관을 돌게 한다는 것이 특허문헌 2의 요지이나, 회로관내 압력 균형이 불안정해지면 수압에 의해 비어있는 공기관으로 해수(또는 물)가 차 올라 공기 순환에 장애를 일으킬 수 있는 문제가 있다.c. In order to separate the air by using the air pressure difference in the room (chamber, 270), an empty air pipe having a volume (πr 2 ×h 2 ) is connected below the water surface, so that the air separated from the room rotates through the circulation circuit installed on the water surface along the pipe. That is, the point of
d. 이종유체가 분리되는 방(Chamber, 270)에서 기압차로 강제 증발된 해수(물)입자가 공기회로관을 따라 순환하는 등에 따른 효율저하를 방지하기 위해 열교환기 (290)를 가동하는 것으로 구성된 특허문헌 2는 열역학법칙에 의거 얼마되지 않는 기대효율을 저하시키는 문제가 있다. d. Patent document consisting of operating the heat exchanger 290 to prevent the decrease in efficiency due to the circulation of seawater (water) particles forcedly evaporated by the pressure difference in the room where the different fluids are separated (Chamber, 270) along the
2. 바다(강)와 대기의 물리량 분석을 통해 기대효율을 극대화 할 수 있는 이론적 기반 구축2. Establish the theoretical basis to maximize the expected efficiency through analysis of the physical quantity of the sea (river) and atmosphere
3. 풍력발전설비의 단순성을 활용하여 본 고안의 발전설비를 단순화, 경량화3. Simplify and reduce the power generation facility of the present invention by utilizing the simplicity of the wind power generation facility
4. 기존 조류발전시스템의 운용에 따른 문제점 해결4. Solving the problems associated with the operation of the existing tidal power generation system
5. 조류에너지를 풍력발전에너지로 변환하여 실생활에 이용5. Algae energy is converted into wind power and used in real life
상기의 문제를 해결하기 위한 본 고안에 따른 풍력 발전기와 함께 사용되며 조류에너지를 이용하는 풍력발전 장치는,
벤튜리식 분사펌프관; 및 상기 분사펌프관에 연결되며 공기를 유입받기 위한 공기유도관을 포함하며,
상기 공기유도관은 공기유도관 내부에서 발전기의 회전자에 연결되는 회전기기를 구비하며,
상기 분사펌프관은,
벤튜리식 분사펌프관과 공기유도관을 연결하기 위한 결합부; 및
상기 분사펌프관 내부를 조류가 통과하는 과정에서 유속차로 인한 최저기압을 형성하는, 결합부 부분에 형성된 공기유도구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
♣ 이론적 방법The wind turbine generator used in conjunction with the wind generator according to the present invention for solving the above problems and using tidal energy,
Venturi type injection pump pipe; And it is connected to the injection pump pipe and includes an air induction pipe for receiving air,
The air induction pipe is provided with a rotating device connected to the rotor of the generator inside the air induction pipe,
The injection pump pipe,
A coupling unit for connecting the venturi-type injection pump pipe and the air induction pipe; And
It is characterized in that it has an air flow tool formed in the coupling portion, which forms the lowest air pressure due to the flow rate difference in the process of passing through the inside of the injection pump pipe.
♣ Theoretical method
1. 비압축성 제1유체(조류 또는 물)과 압축성 제2유체(공기)의 물리량을 분석하여 조류(해수, 물)의 흐름을 공기의 흐름으로 변환시켜 유효한 전력을 생산하는 방식에 대한 이론적 분석방법 구축 1. Theoretical analysis method for the method of producing effective power by converting the flow of algae (sea water, water) into the flow of air by analyzing the physical quantities of the incompressible first fluid (algae or water) and the compressible second fluid (air) build
2. 추론된 이론에 의거 예상 장치의 설계 및 데이터 분석을 통한 기대효율 극대화 방안 모색 2. Based on the inferred theory, search for ways to maximize expected efficiency through design and data analysis of expected devices
3. 이를 통해 본 고안의 장치를 제작, 실험 및 실용화하는데 따르는 다양한 제한요소(경제적, 환경적 요소 등) 극복3. Through this, it overcomes various limiting factors (economic and environmental factors, etc.) in manufacturing, experimenting and commercializing the device of the present invention.
♣ 구체화 방법♣ Specification
1. 효용 가능한 유속을 지닌 조류가 형성된 수면 아래에 [도 2]와 같은 순환체계를 갖는 시스템을 구성하고, 하나의 공기유도관(002)에 조류방향으로 자동회전하는 분사펌프관(001)을 병렬로 연결하여, 조류(물)의 흐름에 거스리지 않는 발전시스템 개발1. Construct a system having a circulation system as shown in [Fig. 2] below the surface where algae with an effective flow rate is formed, and inject the injection pump pipe (001) that automatically rotates in one direction to the air induction pipe (002). Development of a power generation system that does not interfere with the flow of algae (water) by connecting in parallel
2. 분사펌프관 유입부에 입사 된 조류가 노즐을 통과하는 과정에서 발생하는 유속차로부터 분사관(009) 내 압력강하 유도(유입구 압력 >> 노즐부분 압력)2. Inducing the pressure drop in the injection pipe (009) from the flow velocity difference generated in the process of the algae entering the injection pump pipe inlet (inlet pressure >> nozzle part pressure)
3. 대기압보다 낮게 유도 된 분사관 내 기압강하 지점(009)에 수면 위로부터 유입된 공기유도관 연결(003)3. Connection of the air induction pipe introduced from above the water surface to the pressure drop point (009) in the injection pipe induced lower than atmospheric pressure (003)
4. 상대적 진공상태인 분사관 내 (009)지점에 공기유도관을 결합하고, 연결통로를 구성한 다음 해수(물)역류차단막을 설치하여 두 영역의 압력차를 이용하여 해수(물)의 공기관 유입을 자동차단 하고, 노즐을 통과한 해수(물)에 의한 흡입효과(Suction effect)를 이용 차단막이 열리도록 하여 연결통로(공기유입구)를 개방4. Combining the air induction pipe at the (009) point in the injection pipe, which is in a relative vacuum, and then constructing a connecting passage, and then installing a seawater (water) backflow barrier, inlet the air pipe of the seawater (water) using the pressure difference between the two areas. Cut off and open the connecting passage (air inlet) by opening the blocking film using the suction effect by seawater (water) passing through the nozzle.
5. 수면 압력(1기압)과 분사관(009) 내 압력차를 가능한 크게 하여 다량의 공기가 흡입되어 흐를 수 있도록 설계(단, 분사관 내 최초 공기 유입시 필요한 경우 Start펌프 활용 효율 배가, 004)5. Designed to increase the pressure difference between the surface pressure (1 atm) and the injection pipe (009) as much as possible so that a large amount of air can be sucked in and flow (however, when the first air is introduced into the injection pipe, the efficiency of using the start pump is doubled, 004 )
6. 유입된 공기가 노즐을 통해 압축, 분사되는 해수(물)와 분사관(007) 내에서 혼합, 분산(008)된 후 대기로 돌아가는 공기의 순환구조 창출6. Creation of a circulation structure of air that is returned to the atmosphere after mixing and dispersing (008) the seawater (water) and the
7. 위와 같은 과정을 통해 발생시킨 공기의 흐름으로부터 공기의 운동에너지를 회전에너지 변환[공기유도관 내 회전자(005, 팬 또는 터빈 등) 설치]7. Convert the kinetic energy of air from the air flow generated through the above process into rotational energy (installation of a rotor (005, fan or turbine) in the air induction pipe)
8. 회전에너지를 전기에너지로 변환[자석과 유도코일로 구성된 교류발전장치 (006) 연결]8. Converting rotational energy into electrical energy (connecting alternating current generator (006) composed of magnet and induction coil)
9. 하나의 공기유도관에 분사펌프관을 병렬 연결하여 공기유도관 내 공기유입량과 공기의 흐름을 증속시키고, 수면 위로 돌출된 공기유도관의 유입부를 바람 방향으로 자동회전시켜 유입된 공기입자의 풍압을 증가시켜 본 고안의 효율 극대화9. The injection pump pipe is connected in parallel to one air induction pipe to increase the air inflow amount and the air flow in the air induction pipe, and automatically rotate the inlet portion of the air induction pipe protruding above the water surface in the wind direction. Maximize the efficiency of this design by increasing the wind pressure
1. 이론적 데이터 분석 방법 구축으로 효율을 극대화 할 수 있는 장치의 사전 설계 및 개발1. Pre-design and development of a device that can maximize efficiency by building a theoretical data analysis method
2. 미래의 에너지 자원인 조류발전에너지의 실용화에 기여2. Contributing to the commercialization of algal power, the future energy resource
3. 풍력발전의 저비용, 고효율 구조가 적용된 조류발전시스템 구현3. Realization of tidal current generation system with low cost and high efficiency structure of wind power generation
4. 발전설비의 단순화, 경량화를 통해 설비의 육상 조립, 해양 설치 및 운영으로 환경오염 예방4. Prevention of environmental pollution through on-site assembly, offshore installation and operation of facilities through simplification and weight reduction of power generation facilities
5. 유입된 공기를 해수(물) 내에 분산시켜 산소를 공급하므로써 해양(수중)생태환경 개선에 기여5. Contributes to the improvement of the marine (underwater) ecosystem by supplying oxygen by dispersing the inflowing air in seawater (water)
도 1은 미소유체의 운동, 벤튜리관(Venturi Tube) 및 베르누이 정리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 고안에 의한 조류발전설비의 구조 및 흐름도를 보이며, 특히 상부의 그림은 공기유도관과 결합된 분사펌프관, 본 고안의 각 영역별 유체의 흐름 및 공기유도관 내에 설치된 회전자를 이용한 본 고안의 풍력발전 개요도이다.
도 3은 도 2의 분사펌프관을 통과하는 유체의 압력변화 곡선이다.1 is a conceptual diagram for explaining the movement of a microfluidic, Venturi Tube and Bernoulli theorem.
Figure 2 shows the structure and flow chart of the tidal current generation facility according to the present invention, in particular, the upper figure shows the injection pump pipe combined with the air induction pipe, the flow of fluid for each area of the invention and the rotor installed in the air induction pipe. It is a schematic diagram of the wind power generation of the present invention used.
3 is a pressure change curve of the fluid passing through the injection pump pipe of FIG.
본 고안의 실시를 위해 먼저 아래와 같은 물리량 분석을 통해 이론식을 추출한 후, 몇 가지 가정에 대해 효용가능한 일률(전력)을 구하는 방정식을 세우고, 이를 적용한 예상설비을 이론적으로 설계하여 그 해(기대효율)를 구하므로서 본 고안의 실시 가능성을 입증하고, 이후 각 종 함수값을 조절하여 조류에너지를 풍력발전에너지로 전환하여 그 효율을 극대화할 수 있는 방안을 찾아 보고자 한다.
도 2는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 조류에너지를 이용한 풍력발전 장치를 보이는 도면이다. 이 풍력발전 장치는 분사펌프관(001)과, 공기유도관(002)을 구비한다. 분사펌프관과 공기유도관은 공기유도관의 결합부(003)에 의해 결합된다. 스타트 펌프(004)가 결합부(003) 부근의 공기유도관(002)에 설치된다.
공기유도관(002) 내에는 팬 또는 터빈과 같은 회전기기(005)가 설치되며, 회전기기(005)에는 발전기(Generator)(006)의 회전자가 연결된다. 분사펌프관(001)의 하류에는 분사관(007)이 구비된다. 참조번호 008은 분사관 내에서 해수(물)와 혼합된 공기방울을 나타낸다. 공기유도구(009)가 결합부(003)에 구비되며, 이 공기유도구(009)는 공기유도관으로의 해수(물)의 역류차단막(압력차로 자동개폐)과 공기의 해수(물)쪽 유입구(연결통로)로서의 역할을 한다. 회전식 공기유입구 (010)가 공기유도관(002)의 입구측에 마련된다. 이 회전식 공기유입구 (010)는 공기유입구(010)의 상단에 설치된 풍향타(011)를 구비하며, 이 풍향타(011)는 통상 수면 위에 돌출한다. 회전식 공기유입구(010)는 풍향타(011)에 의해 바람방향을 향하도록 회전될 수 있다. 회전식 공기유입구(010)는 이물질의 유입을 방지하는 구조물을 가질 수 있다. 해상구조물(012)은 본 고안의 풍력발전장치가 해상에 떠 있도록 지탱하는 역할을 한다. 연결 및 인양 부(013)는 해상구조물(012)과 본 고안의 장치를 연결 및 인양하기 위해 사용될 수 있다. 공기유도관 분리 및 밀폐 부(014)는 본 고안의 장치를 해상인양 유지보수시 공기유도관(002)의 중간을 분리할 수 있게 하고, 공기유도관(002)을 밀폐하는 기능을 가지며, 예컨대 밸브로 구성된다. 배출펌프(015)는 공기유도관(002) 내 이물질을 배출하기 위한 펌프이다.
도 2를 참조하면, 분사펌프관(001)은 일정한 내경의 상류측과 내경이 점차 줄어들었다가 늘어나는 중류측 및 내경이 점점 크져가는 하류측으로 구성된다. 분사펌프관(001)의 증류측은 결합부(003)가 위치하고, 하류측에는 분사관(007)이 위치한다. 공기는 수면상에 떠 있는 공기유입구(010)를 통해 공기유도관(002) 속으로 유입되고, 해수나 물은 도면의 좌측에서부터 분사펌프관(001) 속으로 유입되고 분사관(007)을 통해 외부로 유출된다. 분사펌프관(001) 내부를 흐르는 유체는 공기유도관(002) 속에 있는 공기가 분사관(007)을 통해 외부로 유출되게 한다. 특히, 결합부(003)에 형성된 공기유도구(009)는 분사펌프관(001) 내를 조류가 통과하는 과정에서 유속차로 인해 분사펌프관 내의 최저기압, 예컨대 대기압보다 낮은 기압으로 되는 분사펌프관(001) 부분에 형성된다.For the implementation of the present invention, the theoretical equation is first extracted through the following physical quantity analysis, and then an equation for obtaining the effective power (power) for several assumptions is established, and the predicted equipment to which this is applied is theoretically designed to solve the year (expected efficiency). In order to verify the feasibility of the present design, we will try to find a way to maximize the efficiency by converting the tidal energy into wind power by adjusting the water content of each species.
2 is a view showing a wind power generator using algae energy according to a preferred embodiment of the present invention. This wind power generator includes an injection pump pipe (001) and an air induction pipe (002). The injection pump pipe and the air induction pipe are combined by a
A
Referring to FIG. 2, the
◆ 질량선속(Mass Flux)◆ Mass Flux
[도 1]에서 미소유체의 이동속도를 v라 하면 미소거리 Δl=vΔt(Δt는 미소시간)이므로 미소유체의 질량성분(밀도 ρ인 유체), Δm = ρAΔl 이므로In FIG. 1, if the velocity of the microfluidic movement is v, the microdistance is Δl=vΔt (Δt is the microtime), so the mass component of the microfluid (fluid with density ρ), Δm = ρAΔl Because of
Δm = ρAvΔt 또는 Δm/Δt = ρAv (1) Δm = ρAvΔt or Δm/Δt = ρAv (1)
단위 시간당 임의의 단면적을 지나는 유체의 질량 즉, 질량선속(mass flux)은 유체가 정상흐름일때 그 밀도가 시간에 따라 변하지 않으므로 두 지점 사이의 질량선속은 같다. 따라서 벤튜리관[도 1]의 두 지점 (가), (나)에서 The mass of a fluid that crosses an arbitrary cross-sectional area per unit time, that is, the mass flux, is the same as the mass flux between two points, as the density of the fluid does not change with time. Therefore, at two points (A) and (B) of the Venturi Building [Figure 1]
ρ1A1v1 = ρ2A2v2 = 일정 (2)ρ 1 A 1 v 1 = ρ 2 A 2 v 2 = constant (2)
즉, 비압축성 정상흐름인 유체의 속도는 단면적에 반비례 함을 알 수 있다.That is, it can be seen that the velocity of the fluid, which is an incompressible normal flow, is inversely proportional to the cross-sectional area.
◆ 유체의 운동에너지가 단위시간당 한 일[일률(Power, P)]◆ The work done by the kinetic energy of a fluid per unit time [power (P)]
일반적으로 v의 속도로 단면적 A(반경 r)의 유관을 흐르는 밀도 ρ인 유체(공기, 물 및 조류 등)의 운동에너지(½mv2)가 단위 시간당 한 일을 의미하는 일률(Power)은In general, the kinetic energy (½mv 2 ) of a fluid (air, water, and algae) having a density ρ flowing through a canal of a cross-section A (radius r) at a velocity of v is the work rate (Power)
(Power) = ½(dm/dt)v2 (3)(Power) = ½(dm/dt)v 2 (3)
이고, 식(1)로부터 And from equation (1)
(Power) = ½ρAv3 = ½ρ(πr2)v3 (4) (Power) = ½ρAv 3 = ½ρ(πr 2 )v 3 (4)
으로, 유속(풍속 또는 조류속도)의 세제곱에 비례하는 발전설비의 전력값(일률, Power)을 구할 수 있다. As a result, the power value (power, power) of the power generation facility proportional to the cube of the flow velocity (wind velocity or tidal velocity) can be obtained.
◆ 베르누이 방정식◆ Bernoulli equation
베르누이방정식은 임의의 단면적(A)에 압력(P)를 가하여 임의의 거리(L)와 높이(h)만큼 유체를 이동시켰을때 한 일(W)과 그 일로 인해 발생한 유체의 운동에너지(Ek) 변화량과 같다는 뉴톤역학에 기초하고 있다.The Bernoulli Equation is a work (W) and the kinetic energy (E k ) of the fluid caused by the movement of the fluid by an arbitrary distance (L) and height (h) by applying pressure (P) to an arbitrary cross-sectional area (A). ) It is based on Newtonian mechanics that it is equal to the amount of change.
[도 1]의 윗 그림과 같이 압력의 작용으로 유체의 위상이 변한 임의의 계로부터 압력(ΔF = ΔP?A)이 한 일은 W = F?L = P?A?Δl(Δl은 미소선분거리)이다. 또한 g를 중력가속도라 할 때 중력이 한 일은 Δmg(h2-h1)와 같다. 그러므로 전체의 일은 The work of pressure (ΔF = ΔP?A) from an arbitrary system where the phase of the fluid is changed by the action of pressure as shown in the upper figure of [Fig. 1] is W = F?L = P?A?Δl (Δl is the small segment distance )to be. Also, when g is called gravitational acceleration, the work done by gravity is equal to Δmg(h 2 -h 1 ). So the whole thing
W = P1A1Δl1 - P2A2Δl2 - Δmg(h2-h1) (5)W = P 1 A 1 Δl 1 -P 2 A 2 Δl 2 -Δmg(h 2 -h 1 ) (5)
이다. AΔl은 구획된 부분의 체적 ΔV를 의미하므로, 유체의 밀도를 ρ라 하면 ρ=Δm/ΔV, AΔl=Δm/ρ이므로 W = (P1- P2)(Δm/ρ) - Δmg(h2-h1)가 된다.to be. AΔl means the volume ΔV of the partitioned portion, so if the density of the fluid is ρ, ρ=Δm/ΔV, and AΔl=Δm/ρ, so W = (P 1 -P 2 )(Δm/ρ)-Δmg(h 2 -h 1 ).
질량(Δm)인 미소유체의 미소운동에 따라 발생한 운동에너지의 변화량(ΔEk)은 ΔEk = ½Δm(v2 2-v1 2)The amount of change in kinetic energy (ΔE k ) generated by micro-motion of a microfluidic mass (Δm) is ΔE k = ½Δm(v 2 2 -v 1 2 )
이므로, W = ΔEk 로부터, W = ΔE k
(P1- P2)(Δm/ρ)- Δmg(h2-h1) = ½Δm(v2 2-v1 2) (6)(P 1 -P 2 )(Δm/ρ)- Δmg(h 2 -h 1 ) = ½Δm(v 2 2 -v 1 2 ) (6)
따라서 비압축성, 비표면성, 비점성 정상흐름인 유체의 경우 식(6)에서 Δm을 소거하면 아래와 같은 베르누이정리를 유도할 수 있게 된다.Therefore, in the case of a fluid that is a non-compressible, specific surface, or non-viscous normal flow, by erasing Δm from Eq. (6), the Bernoulli theorem can be induced as follows.
P1 + ½ρv1 2 + ρgh1 = P2 + ½ρv2 2 + ρgh2 = 일정 (7)P 1 + ½ρv 1 2 + ρgh 1 = P 2 + ½ρv 2 2 + ρgh 2 = Schedule (7)
[도 1]의 벤튜리관 같이 (가)와 (나)지점을 지나는 입자 사이에 높이 차(h)가 없다면, g(중력가속도) 값은 일정하므로, 식(7)로부터 (가)지점과 (나)지점의 압력차를 구할 수 있게 된다.If there is no difference in height (h) between particles passing through points (A) and (B), as shown in [Fig. 1], the g (gravity acceleration) value is constant. B) It is possible to find the pressure difference at the point.
P1 - P2 = ½ρv2 2 [1-(A2/A1)2] (8)P 1 -P 2 = ½ρv 2 2 [1-(A 2 /A 1 ) 2 ] (8)
베르누이 정리로부터 [도 2]과 같은 분사펌프관에 유입된 유체는 분사펌프관을 통과하면서 [도 3]과 같이 급격한 속도증가(압력저하)를 경험하며, 주변의 유체와 평형을 이루는 과정에서는 그 반대로 속도감소(압력증가)를 경험하게 됨을 알 수 있다.From the Bernoulli theorem, the fluid flowing into the injection pump pipe as shown in [Figure 2] experiences a rapid speed increase (pressure drop) as shown in [Figure 3] as it passes through the injection pump pipe, and in the process of achieving equilibrium with the surrounding fluid, On the contrary, it can be seen that the speed decrease (pressure increase) is experienced.
그러므로 분사펌프관 내 유속이 비교적 짧은 시간 동안 지수함수적 증감되어 유효한 에너지 변환에 장애가 되지 않도록 본 고안에서는 아래와 같이 방법을 채택하였다.Therefore, the following method was adopted in this design so that the flow velocity in the injection pump pipe was not exponentially increased or decreased for a relatively short period of time, so as not to interfere with effective energy conversion.
1. 분사관 내 순간적인 준 진공상태 영역(009)를 조성하여 해수(물) 내 공기 유입시 해수(물)의 유도저항에 의한 문턱값[공기을 해수(물)에 유입시키는데 필요한 최소의 힘]을 낮추는 방법1. Threshold due to induction resistance of seawater (water) when air is introduced into seawater (water) by creating an instantaneous quasi-vacuum region (009) in the injection pipe (minimum force required to introduce air into seawater (water)) How to lower
2. 밀도가 낮은 이종유체의 혼합을 통해 분사펌프관(001)의 노즐을 지난 유체의 밀도를 현격히 감소시켜 분사관(007)을 지나는 가속된 유체의 속도가 급격히 감소되지 않도록 하는 방법2. The method of preventing the speed of the accelerated fluid passing through the
3. 분사관에서 해수(물)와 혼합되어 해수(물)의 진행방향으로 분사된 공기방울로 분사관을 통과한 유체가 주변 해수(물)의 유도항력과 평형을 이루는 과정을 지연시키는 촉매 역활을 하도록 하는 방법3. A catalyst that delays the process in which the fluid passing through the injection pipe is balanced with the induced drag of the surrounding sea water (water) with air bubbles mixed with sea water (water) in the injection pipe and sprayed in the direction of travel of the sea water (water). How to do
4. 분사관의 출구쪽 유관의 크기를 크게 하여 해수(물)의 진행방향쪽 유체의 밀도를 낮추는 방법(007)4. Method of reducing the density of the fluid in the direction of seawater (water) by increasing the size of the oil pipe at the outlet side of the injection pipe (007)
5. 분사관을 벗어 난 공기방울이 해수(물) 속에서 단열팽창하며 수면 위로 상승하는 성질을 이용 분사펌프관의 출구쪽 해수(물)밀도(또는 수압)를 감소시키는 방법5. How to reduce the density (or water pressure) of seawater (water) at the outlet side of the injection pump pipe by using the property that air bubbles outside the injection pipe expand adiabatically in seawater (water) and rise above the water surface.
위와 같은 방법으로 수면 위로부터 공기유도관을 따라 유입된 공기가 수면 아래에 설치된 분사펌프관을 통과하여 해수(물) 속으로 확산 된 후 대기로 돌아 가는 순환과정을 창출하고 이로 인해 얻을 수 있는 공기유도관 내 공기의 흐름으로부터 풍력발전을 통해 유효한 전력(일률)을 생산하고자 한다.In this way, the air introduced from the top of the water surface along the air induction pipe passes through the injection pump pipe installed below the water surface and diffuses into the seawater (water), and then creates a circulation process that returns to the atmosphere and the air that can be obtained from it We intend to produce effective power (one rate) through wind power generation from the air flow in the induction pipe.
◆ 공기입자의 수면 내 운동에 따른 부력[해수(물)의 1차 유도항력]◆ Buoyancy due to the movement of air particles in the water surface [primary induced drag of seawater (water)]
일반적으로 공기를 수면 아래로 이동시키기 위해서는 공기의 부피에 비례하는 부력에 반대되는 양만큼의 일을 해 주어야 한다. 예를들어 반경 r, 높이 l (l<<0)인 미소공기기둥을 가상하면, 체적이 (πr2×Δl)인 공기기둥들을 연속적으로 [도 2]의 (다)지점으로부터 (라)지점까지 이동시키데 필요한 일을 의미한다. 이 공기기둥이 갖는 부력를 표시하면In general, in order to move the air below the water surface, it is necessary to do the amount of work opposite to the buoyancy proportional to the volume of the air. For example, if a small air cylinder having a radius r and a height l (l<<0) is simulated, air cylinders having a volume of (πr 2 ×Δl) are continuously taken from the point (C) of [Fig. 2] to (D). It means what you need to move up to. If you display the buoyancy of this air column,
F = ρ'(πr2×Δl)×g (9)F = ρ'(πr 2 ×Δl)×g (9)
이므로 부력에 반하여 공기기둥을 수심 h까지 이동시키기 위해서 해 주어야 할 일(W)은So, what you need to do to move the air column to depth h against the buoyancy
W = F?h = [ρ'(πr2×Δl)×g]?h (10)W = F?h = [ρ'(πr 2 ×Δl)×g]?h (10)
이다.to be.
공기기둥의 높이를 나타내는 Δl은 단면적이 (πr2)인 원의 단면이 dt시간 동안 v 의 속도로 움직인 거리(Δl=v?dt)에 대한 미분값을 의미하므로 식(1)과 같은 관계식이 이 경우에도 동일하게 성립한다.Δl, which represents the height of the air column, refers to the differential value for the distance (Δl=v?dt) that the section of a circle with a cross-sectional area (πr 2 ) moves at a velocity of v for dt hours. In this case, the same holds true.
따라서, [도 2]의 공기유도관(002)를 따라 v의 속도로 움직인 미소공기기둥(단면적 A)이 수심 h까지 이동하는데 따라 부력[Lif, 해수(물)의 유도항력]이 시간당 한 일(손실되는 에너지)을 의미하는 일률[(Power)w]은 아래와 같다.Therefore, the buoyancy [Lif, induced drag of seawater (water)] per hour as the micro-air cylinder (cross-section A) moved at the speed of v along the
(Power)l = [(ρ'Av)×g]?h (11)(Power) l = [(ρ'Av)×g]?h (11)
◆ 수압(P)이 미소단면적(A)에 단위시간당 한 일[해수(물)의 2차 유도항력]◆ Work done per unit time by water pressure (P) per minute area (A) (2nd induced drag of seawater (water))
수압 P인 곳에 놓은 이종유체의 표면에 수직한 면적벡터성분을 ΔA(단면적 πr2인 미소표면)라 할 때, ΔA에 작용하는 힘 ΔF = P?ΔA 이다. 공기가 해수 속으로 실질적으로 진행(침투)하였다는 것은 표면적 ΔA인 미소공기표면이 v의 속도로 Δt 동안 Δl 거리를 해수(물) 속으로 진행한 것을 의미하므로, 수압 P가 단위시간당 미소공기기둥에 한 일은 ΔW=ΔF?Δl로 아래와 같이 표현될 수 있다.When the area vector component perpendicular to the surface of the heterogeneous fluid placed at the water pressure P is ΔA (microsurface with a cross-sectional area of πr 2 ), the force acting on ΔA is ΔF = P?ΔA. The fact that the air has substantially progressed (permeated) into the seawater means that the microair surface with a surface area of ΔA travels Δl distance into the seawater (water) for Δt at a velocity of v, so the water pressure P is a microair column per unit time. The work done in ΔW=ΔF?Δl can be expressed as follows.
ΔW=ΔF?Δl=(P?ΔA)?Δl=(P?ΔA)×(v?Δt) ΔW=ΔF?Δl=(P?ΔA)?Δl=(P?ΔA)×(v?Δt)
그러므로, 양변을 시간에 대해 적분하면 수압(Hydraulic Pressure) P가 단위시간당 미소공기기둥에 한 일, 즉 일률[(Power)p]는 다음과 같다.Therefore, when both sides are integrated with respect to time, the work of hydraulic pressure P on the micro-air per unit time, that is, the power [(Power) p ] is as follows.
(Power)p = P?[π(r)2×v] (12)(Power) p = P?[π(r) 2 ×v] (12)
♣ 에너지보존법칙에 의한 실효일률(Peffect) 계산식 유도♣ Derivation of Equation of Effect (P effect ) by Energy Conservation Law
열역학법칙(에너지보존법칙 등)에 따라 일정한 유속을 지닌 조류에 의해 발전가능한 에너지의 총량[식(4)]에서 이종유체(공기)를 수면 아래로 이동시키는데 필요한 에너지(부력에 반하는 에너지 손실)와 수압이 존재하는 공간에서 이종유체(공기)가 해수(물)에 침투할 때 필요한 에너지(수압에 반하는 에너지 손실)를 뺀 여분의 에너지가 공기유도관 내 공기의 흐름을 유발시키는데 실질적으로 사용되는 에너지의 총량과 같다고 볼 수 있다.(에너지보존법칙)The energy required to move the heterogeneous fluid (air) below the water surface (energy loss against buoyancy) in the total amount of energy that can be generated by a tidal current (Eq. (4)) according to the thermodynamic law (energy conservation law, etc.) The energy that is actually used to induce the flow of air in the air induction pipe is the extra energy minus the energy required to infiltrate the seawater (water) when the heterogeneous fluid (air) in the space where water pressure exists It can be regarded as equal to the total amount of energy (the law of conservation of energy).
(Power)air = (Power)water - (Power)l - (Power)p (13)(Power) air = (Power) water -(Power) l- (Power) p (13)
여기서, (Power)water는 조류에 의해 생산 가능한 총 에너지이고, (Power)air는 공기유도관 내 공기흐름에 의한 풍력발전에너지이다. Here, (Power) water is the total energy that can be produced by algae, and (Power) air is the wind power generated by air flow in the air induction pipe.
따라서, (Power)air >> 0 이 된다면 본 고안이 해결하고자 한 과제, '조류에너지의 풍력에너지로의 변환효율을 극대화하는 방법'은 해결 가능한 과제라 할 것이다.Therefore, (Power) air >> If it becomes 0, the problem that the present invention intends to solve,'how to maximize the conversion efficiency of algae energy to wind energy,' will be a problem that can be solved.
또한, 한 개의 공기유도관에 n개의 분사펌프관을 병렬로 연결하였을 때 조류에 의한 에너지 총량은 그 수만큼 배가되므로 식(14)로부터In addition, when n injection pump pipes are connected in parallel to one air induction pipe, the total amount of energy generated by algae is multiplied by that number.
(Power)air = n×(Power)water - (Power)l - (Power)p (14)(Power) air = n×(Power) water -(Power) l- (Power) p (14)
와 같은 식을 유도할 수 있다.You can derive an equation like
수압 P1 , 밀도 ρ, 평균유속인 v1 인 조류가 흐르는 곳에 놓인 [도 2]의 분사펌프관 유입구[(가), 직경=R1, 반경=r1]에 회전자(프로펠러 또는 터빈 등)을 놓아 조류를 이용 생산할 수 있는 에너지는 정상유체의 경우 뉴톤역학에 의해 (나)지점(직경=R2, 반경=r2)을 v2의 속도로 통과하는 유체 내에 놓인 회전자가 생산할 수 있는 에너지량과 같다고 할 수 있으므로, 지점(가)로 유입되는 조류에 의해 생산 가능한 에너지를 조류가 생산할 수 있는 최대에너지라 하면 식(4)로부터 (Power)water 값을 구할 수 있다.Water pressure P 1 , Density ρ, mean flow velocity v 1 The energy that can be produced using algae is normal by placing a rotor (propeller or turbine, etc.) at the injection pump pipe inlet [(A), diameter=R 1 , radius=r 1 ] of [Figure 2] placed in the place where phosphoric algae flows. In the case of a fluid, it can be said that Newtonian dynamics ( b ) equals the amount of energy that can be produced by a rotor placed in a fluid passing a point (diameter = R 2 , radius = r 2 ) at a rate of v 2 . If the energy that can be produced by algae flowing into is the maximum energy that algae can produce, from (4) (Power) water You can get the value.
따라서, 공기유도관(P3,v3,A3)을 따라 유입된 공기가 수면 아래(수심 h 미터, 기압 P1)에 있는 분사펌프관과 공기유도관의 경계면에 설치된 연결통로(P4,v4,A4)를 통해 단면적 π(r4)2인 미소공기표면이 단위시간당 속도 v4로 해수(물) 속으로 침투하는 과정을 거쳐야 공기순환이 시작되므로 식(15)와 위에서 구한 식(4), 식(11),식(12)의 값을 대입하면Therefore, the air flowing in along the air induction pipes (P 3 ,v 3 ,A 3 ) is connected to the injection pump pipe located below the water surface (water depth h meter, air pressure P 1 ) and the connection passage (P 4) installed at the interface between the air induction pipe. The air circulation starts only when the microair surface with a cross-sectional area of π(r 4 ) 2 through ,v 4 ,A 4 ) penetrates into seawater (water) at a rate of v 4 per unit time. Substituting the values of equation (4), equation (11), and equation (12)
½ρ'(πr3 2)v3 3 = n×[½ρ(πr1 2)v1 3]½ρ'(πr 3 2 )v 3 3 = n×[½ρ(πr 1 2 )v 1 3 ]
- [(ρ'πr3 2v3)×g]?h - P1?[π(r4)2×v4] -[(ρ'πr 3 2 v 3 )×g]?h-P 1 ?[π(r 4 ) 2 ×v 4 ]
와 같다. 공기유도관(단면적 A3)이 분사펌프관과 공기유도관의 연결 경계면까지 동일 단면적을 유지하다가 경계면에 설치된 연결통로(공기유입구, 009) 부근에서 그 단면적(A4)이 변했다면 공기유도관 내에 있는 동일유체의 유속성분(v3)은 단면적 A4표면상에 있는 공기입자의 유속성분에 근사(v3≒v4)하다고 볼 수 있으므로, 위 식을 아래와 같이 v3를 매개변수로 한 3차방정식으로 치환할 수 있다.Same as If the air induction pipe (cross-section A 3 ) maintains the same cross-sectional area up to the connection interface between the injection pump pipe and the air induction pipe, and if the cross-sectional area (A 4 ) changes near the connection passage (air inlet, 009) installed at the interface Since the velocity component (v 3 ) of the same fluid within is approximated (v 3 ≒v 4 ) to the velocity component of air particles on the cross-section A 4 surface, the above equation is parameterized by v 3 as below. It can be substituted by the third equation.
½ρ'(πr3 2)v3 3 = n×[½ρ(πr1 2)v1 3]½ρ'(πr 3 2 )v 3 3 = n×[½ρ(πr 1 2 )v 1 3 ]
- [(ρ'πr3 2v3)×g]?h - P1?[π(r4)2×v3] (15) -[(ρ'πr 3 2 v 3 )×g]?h-P 1 ?[π(r 4 ) 2 ×v 3 ] (15)
♣ 베르누이 정리에 의한 실효일률(Peffect) 계산식 유도♣ Derivation of Equation of Effect (P effect ) by Bernoulli's Theorem
[도 2]에서 분사펌프관의 (나)지점과 공기유도관의 (라)지점 사이가 무한히 가깝고, 두 유체가 정상, 비압축성 유체라고 가정하면 분사펌프관의 점(나) 부분에서의 압력(P2)와 공기유도관의 (라)부분의 압력(P4)은 그 경계면(009)에서 P2 ≒ P4 인 등가원리가 성립할 수 있으므로 식(2), 식(8)로부터 공기유도의 연결통로상에 있는 유체의 속도(v4)를 구할 수 있다.In Fig. 2, assuming that the point between (B) of the injection pump pipe and (D) of the air induction pipe is infinitely close, and the two fluids are normal and incompressible fluids, the pressure at the point (B) of the injection pump pipe ( P 2 ) and the pressure (P 4 ) of the (D) part of the air induction pipe are P 2 at the interface (009). 등 Since the equivalent principle of P 4 can be established, the velocity (v 4 ) of the fluid on the air induction connection path can be obtained from equations (2) and (8).
P3 - P4 = ½ρ'v4 2 [1-(A4/A3)2]P 3 -P 4 = ½ρ'v 4 2 [1-(A 4 /A 3 ) 2 ]
v4 = {2(P3-P4)/ρ'[1-(A4/A3)2]}½ (16)v 4 = {2(P 3 -P 4 )/ρ'[1-(A 4 /A 3 ) 2 ]} ½ (16)
일반적으로 수면 아래로의 압력변화비율은 10m당 평균 1기압씩 증가하므로 [도 2]의 각 지점별 압력사이에 P1 > P3 > P2 ≒ P4 의 관계가 형성되며, 조류가 있는 곳에 [도 2]와 같이 공기유도관이 연결된 분사펌프관을 놓았다면 각 지점의 유체속도는 v1 > 0, v2 > v1 이며, 유속(v2)와 유속(v4)는 비례관계가 있으므로 v3 > 0 인 관계가 성립할 것이다. 또한 v4 > 0이면 식(2)로부터 v3 > 0임을 알 수 있다.In general, the rate of pressure change below the water surface increases by an average of 1 atm per 10m, so P 1 between pressures at each point in [Figure 2] > P 3 > P 2 관계 The relationship of P 4 is formed, and if an injection pump pipe to which an air induction pipe is connected is placed as shown in [FIG. 2] where there is an algae, the fluid velocity at each point is v 1 > 0, v 2 > v 1 Is, the flow rate (v 2 ) and The flow velocity (v 4 ) is proportional, so v 3 > A zero relationship will be established. Also v 4 If 0> v 3 from equation (2) > 0.
따라서, 공기유도관 내 v3 > 0 인 풍속이 존재하므로 식(4)로부터 일률(Power)air = ½ρ'A3v3 3 > 0 와 같이 풍속의 세제곱에 비례하는 풍력발전의 전력값(일률, Power)을 예측할 수 있다.Therefore, v 3 in the air induction pipe Since there is a wind speed of> 0, the power value (power, power) of wind power proportional to the cube of the wind speed can be predicted from Eq. (4): power air = ½ρ'A 3 v 3 3 > 0.
◆ 본 고안을 적용하여 설계한 가상장치로부터 기대효율 구하기◆ Obtaining expected efficiency from a virtual device designed by applying this design
본 고안을 실시하기 위해서 위로부터 유도한 물리학적 이론에 의거 아래와 같은 가상장치를 설계하고, 이 장치로부터 얻을 수 있는 기대 전력량을 이론적으로 추출하여 본 고안의 실시에 따른 기대효율을 구해 보고자 한다.In order to implement the present invention, the following virtual device is designed based on the physical theory derived from above, and the expected amount of power that can be obtained from this device is theoretically extracted to obtain the expected efficiency according to the practice of the present invention.
?본 고안에 의한 가상장치??Virtual device according to the present invention?
수심 10m 아래에 있는 해수(물)의 유속이 3m/sec인 조류가 각 각의 직경 3m인 2개의 분사펌프관 입구에 유입되어 각 각의 직경이 0.6m인 노즐을 통과한 후 [도 2]의 오른쪽[해수(물) 진행 방향]으로 진행하고, 수면 위(대기압 1기압)에 설치된 공기유도관(직경 1m)을 따라 유입된 공기가 [도 2]의 (005)부분에 설치된 회전자(직경 1m의 팬 또는 터빈 등)를 통과하여 [도 2]의 (라)지점(009)에 있는 공기유입통로(직경 0.2m)로 유입되어 [도 2]의 분사관을 통해 오른쪽 방향으로 분산된다고 할 때, 공기유도관 내에 설치된 회전자로부터 얻을 수 있는 실효일률(Power)air은? After the algae with a flow rate of 3 m/sec of the seawater (water) 10 m below the water depth flowed into the inlet of two injection pump pipes each having a diameter of 3 m, passing through a nozzle having a diameter of 0.6 m each [FIG. 2] The rotor installed in the (005) part of [Fig. 2] proceeds to the right of [Sea (water) proceeding direction], and the air introduced along the air induction pipe (diameter 1 m) installed on the water surface (
♣ 에너지보존법칙에 의한 실효일률(Power)air 산출♣ Power air calculation by energy conservation law
[부호의 정리]에 정리된 일과 압력사이의 관계식 및 위의 장치에 관한 데이터를 식(15)에 넣고 정리하면If the relationship between work and pressure summarized in [Theorem of Code] and the data on the above devices are put into Equation (15),
½ρ'(πr3 2)v3 3 = n×[½ρ(πr1 2)v1 3]½ρ'(πr 3 2 )v 3 3 = n×[½ρ(πr 1 2 )v 1 3 ]
- [(ρ'πr3 2v3)×g]?h - P1?[π(r4)2×v3] -[(ρ'πr 3 2 v 3 )×g]?h-P 1 ?[π(r 4 ) 2 ×v 3 ]
이므로 Because of
½(1.225kg/m3)[3.14×(0.5m)2]×v3 3 ½(1.225kg/m 3 )[3.14×(0.5m) 2 ]×v 3 3
= 2×{½(1,030kg/m3)[3.14×(1.5m)2](3m/sec)3} = 2×{½(1,030kg/m 3 )[3.14×(1.5m) 2 ](3m/sec) 3 }
- [(1.225kg/m3)[3.14×(0.5m)2]×v3×(9.8m/sec2)×(10m) -[(1.225kg/m 3 )[3.14×(0.5m) 2 ]×v 3 ×(9.8m/sec 2 )×(10m)
- 2×(1,013)×(100)[(kg?m/sec2)]/(m)2×[3.14×(0.1m)2]×v3 -2×(1,013)×(100)[(kg?m/sec 2 )]/(m) 2 ×[3.14×(0.1m) 2 ]×v 3
로부터from
v3 3 + 13,451v3 - 409,329 = 0 (17) v 3 3 + 13,451v 3 -409,329 = 0 (17)
와 같이 v3를 매개변수로 하는 3차방정식을 구할 수 있다. 3차방정식(x3+px+q=0)의 근의 공식으로부터 v3의 값을 구하면, As shown, we can obtain the cubic equation with v 3 as a parameter. If the value of v 3 is obtained from the root formula of the cubic equation (x 3 +px+q=0),
v3 ≒ 28.7 m/sec (18)v 3 ≒ 28.7 m/sec (18)
이 값을 식(4)에 대입하여 본 고안으로부터 조류에너지를 풍력발전에너지로 전환하여 효율을 극대화하였을 때 예상되는 최대 실효일률(Power)air 을 구하면Substituting this value into Eq. (4), the maximum effective power ( air ) expected when the efficiency is maximized by converting the tidal energy into wind power is obtained from this design.
(Power)air = 1.14 ×104 W(Watt) (19)(Power) air = 1.14 × 10 4 W (Watt) (19)
즉, 위의 결과로부터 본 고안을 통해 구할 수 있는 실효일률[전력,(Power)air] >> 0 이므로 본 고안으로부터 유의미한 기대효율을 유출할 수 있음을 알 수 있다.In other words, it can be seen from the above results that the effective efficiency that can be obtained through the present design [Power, ( air ) air ] >> 0 can leak significant expected efficiency from the present design.
♣ 베르누이 정리에 의한 실효일률(Power)air 산출♣ Power air calculation by Bernoulli's theorem
유체가 흐르는 원형관의 반지름을 r이라고 하면 그 단면적 A=πr2 이다. 따라서 분사펌프관에 유입된 v1=3m/sec인 해수(물)가 분사펌프관의 노즐 지점을 통과하는 순간의 속도(v2)는 식(1)로부터, If the radius of the circular pipe through which the fluid flows is r, its cross-sectional area A=πr 2 to be. Therefore, the velocity (v 2 ) at the moment when seawater (water) having v 1 =3 m/sec flowing into the injection pump pipe passes through the nozzle point of the injection pump pipe is obtained from Equation (1).
v2 = v1(A1/A2) = (3m/sec)?π(1.5m)2/π(0.3m)2 v 2 = v 1 (A 1 /A 2 ) = (3m/sec)?π(1.5m) 2 /π(0.3m) 2
≒ 75 m/sec (20) ≒ 75 m/sec (20)
임을 알 수 있다. Can be seen.
위에서 언급한 가상장치에 대하여 베르누이정리를 이용하여 그 효율을 구해 보면, 해수(물) 내의 압력변화율 (10m당 1기압씩 증가)에 따라 수심 10m에서의 압력은 수면 압력(1기압)의 2배(2기압)이며, 해수(물)의 밀도는 1,030kg/m3이라 하면 식(8)로부터 분사펌프관 내에 유도되는 최소압력값(P2)을 구한 후 [부호의 설명]에 정리된 일과 압력의 단위를 이용하여 환산, 아래와 같이 계산할 수 있다.If the efficiency is obtained by Bernoulli's theorem for the above-mentioned virtual device, the pressure at 10 m depth is twice the water pressure (1 atm) depending on the rate of pressure change in seawater (water) (increase by 1 atmosphere per 10 m). (2 atm), and the density of seawater (water) is 1,030 kg/m 3. After obtaining the minimum pressure value (P 2 ) induced in the injection pump pipe from Eq. (8), the routine summarized in [Description of Symbols] Converted using the unit of pressure, it can be calculated as follows.
(2기압)- P2 = ½(1,030kg/m3)×(75m/sec)2×[1-π(0.3)2/π(1.5m)2](2 atm)- P 2 = ½(1,030kg/m 3 )×(75m/sec) 2 ×[1-π(0.3) 2 /π(1.5m) 2 ]
= 2,781,000 kg/msec2(≡ N/m2 )=2,781,000Pa≒(27.5기압)= 2,781,000 kg/msec 2 (≡ N/m 2 )=2,781,000Pa≒ (27.5 atm)
이므로 분사펌프관 내 최소압력값(P2)는 Therefore, the minimum pressure value (P 2 ) in the injection pump pipe is
P2 ≒ - 25.5 기압 (21)P 2 ≒-25.5 atm (21)
이 된다. It becomes.
즉, 분사펌프관과 공기유도관이 연결된 지점의 압력이 수면 압력(1기압)보다 상당히 낮으므로 수면 위의 공기는 흡입효과에 의해 공기유도관으로부터 흡입, 분사펌프관으로 유입, 분사관을 따라 오른쪽 방향으로 흐를 수 있게 된다.That is, since the pressure at the point where the injection pump pipe and the air induction pipe are connected is significantly lower than the surface pressure (1 atm), air above the water surface is sucked from the air induction pipe by the suction effect, flows into the injection pump pipe, and follows the injection pipe. It can flow in the right direction.
이상유체의 경우 유체간의 경계면, 본 고안에 있어 공기유도관과 분사펌프관의 연결부분[도 2의 (라), 009] 사이가 무한히 가깝다고 가정하면 그 경계면에서 P4≒P2 가 성립하므로, 1기압 15℃ 에서 공기밀도 ρ'= 1.225kg/m3 일때 이 지점에서 공기의 유속(v4)을 구하면, 식(16)으로부터 In the case of an abnormal fluid, assuming that the interface between the fluids and the connecting portion of the air induction pipe and the injection pump pipe in the present design [Fig. 2 (D), 009] are infinitely close, P 4 ≒P 2 at the interface. Since the air flow rate (v 4 ) is obtained at this point when the air density ρ'= 1.225kg/m 3 at 1 atm 15℃,
(1기압)-(-25.5기압) = ½(1.225kg/m3)×v4 2×[1-π(0.1m)2/π(0.5m)2](1 atm)-(-25.5 atm) = ½ (1.225kg/m 3 )×v 4 2 ×[1-π(0.1m) 2 /π(0.5m) 2 ]
가 된다. 위 식으로부터 좌변값과 우변값을 [부호의 설명]에 정리된 단위표를 이용하여 환산, 정리하면 좌변값은 (26.5기압×1,013×100)Pa = 2,684,450 kg/m?sec, 우변값은 0.588×v4 2?(kg/m3)가 된다. 따라서Becomes. If the left side value and the right side value are converted using the unit table summarized in [Explanation of Symbols] from the above equation, the left side value is (26.5 atm×1,013×100) Pa = 2,684,450 kg/m?sec, and the right side value is 0.588× v 4 2 ?(kg/m 3 ). therefore
v4 2 = (2,684,450 kg/m?sec)/(0.588kg/m3) = 4,565,392 m2/sec2 v 4 2 = (2,684,450 kg/m?sec)/(0.588kg/m 3 ) = 4,565,392 m 2 /sec 2
v4 ≒ 2,137 m/sec (22)v 4 ≒ 2,137 m/sec (22)
이고, 식(2)로부터 v3 =(A4/A3)×v4=[(πr3 2)/(πr4 2)]×v4=(r3 2)/(r4 2)×v4 이므로,Is, v 3 from equation (2) =(A 4 /A 3 )×v 4 =[(πr 3 2 )/(πr 4 2 )]×v 4 =(r 3 2 )/(r 4 2 )×v 4 Because of,
v3 ≒ 85.5 m/sec (23)v 3 ≒ 85.5 m/sec (23)
가 된다. Becomes.
이처럼 v4 가 아음속이 되는 현상과 식(23)의 값을 식(4)에 넣어 (Power)air 값을 구하였을 때 조류가 생산할 수 있는 에너지의 총량(Power)water 보다 1.5배 가량 더 많은 풍력에너지가 산출되어 열역학법칙(에너지보존법칙)에 위배되는 현상을 일으키는 것은 베르누이방정식을 사용하여 유용한 해를 구할 때 아래와 같은 제약조건이 있음을 고려하지 않은 결과이다. Like this v 4 Becomes subsonic and the value of equation (23) is put in equation (4) (Power) air The total amount of energy that algae can produce when the sought value (Power) it is 1.5 times more wind energy to produce than the water that causes the phenomenon that violates the laws of thermodynamics (energy conservation) useful to use the Bernoulli equation This is the result of not considering the following constraints when obtaining.
1. 베르누이 정리는 비압축성 유체에 대한 이론값이므로, 일반적으로 액체유체의 경우에는 합리적이지만, 위와 같이 기체유체의 경우 상당한 오차를 유발하게 된다.1. Bernoulli's Theorem is a theoretical value for incompressible fluids, so it is generally reasonable in the case of liquid fluids, but it causes significant errors in the case of gaseous fluids.
2. 베르누이 정리는 정상유동에 대한 이론식이므로, 속도가 시간의 함수로 주어지는 본 고안과 같은 사례에 적용하기에는 한계가 있다.2. Bernoulli's theorem is a theoretical formula for steady flow, so there is a limit to its application to the same case as the present invention where velocity is given as a function of time.
3. 베르누이 정리는 비점성유체이고, 시스템내 총 에너지가 보존되어야 한다는 가정에서 성립된 정리이므로 분사펌프 등이 시스템에 있는 본 고안의 경우에는 베르누이 정리를 이용하는데 제한이 따른다.3. Bernoulli's theorem is a non-viscous fluid and is established on the assumption that the total energy in the system must be conserved, so there are limitations on using Bernoulli's theorem in the case of the present invention in which a spray pump or the like is in the system.
따라서, 식(22)과 식(23)으로 유도된 산출 값은 본 고안에 유용한 값으로 채택될 수 없다.Therefore, the calculated values derived from Eq. (22) and Eq. (23) cannot be adopted as useful values for the present invention.
■ 결론■ Conclusion
위의 모든 과정으로부터 '조류에너지의 풍력발전에너지로의 변환효율을 극대화' 하기 위한 본 고안의 과제는 식(19)와 같이 유효일률(전력값) (Power)air = 1.14 ×104 W(Watt)을 생산할 수 있다는 유의미한 결론에 도달하였으므로 그 해결이 가능한 과제임을 입증하였다.From the above process, the task of the present design for'maximizing the conversion efficiency of algae energy to wind power' is the effective power (power value) air as shown in Eq. (19). = 1.14 × 10 4 W(Watt) has been reached, and a meaningful conclusion has been reached.
또한, 위와 같이 본 고안에 의해 유도된 방정식을 활용하여 본 고안이 요구하는 장치를 이론적 분석, 검증할 수 있는 수단을 가짐으로서 보다 체계적이고 경제적인 발전설비를 구축하는데 도움이 될 수 있다고 생각한다.In addition, I think that it can be helpful to construct a more systematic and economical power generation facility by having the means to theoretically analyze and verify the device required by the present design by utilizing the equation derived by the present design as above.
마지막으로 위와 같은 결론을 도출하는데 있어 유의미한 영향을 미치지 않는다고 판단하여 고려하지 않은 아래의 함수값;Finally, the following function values are not considered because they are considered to have no significant effect in drawing the above conclusions;
1. 공기 입자가 공기유도관을 따라 높이(10m)를 자유낙하하는데 따르는 위치에너지 변화량1. Potential energy change amount as air particles freely fall in height (10m) along the air induction pipe
2. 공기유도관이 외부 수압에 의하여 전혀 변형되지 않도록 설계하였으므로 수심의 변화에 따라 차이를 갖는 수압이 공기유도관 내의 공기입자에 작용(압력)하여, 부력{공기에 대한 해수(물)의 항력]보다 더 큰 일을 한다고 볼 수 없지만 수압의 변화가 공기유도관 내의 공기입자에 한 일에 의한 변화량2. Since the air induction pipe is designed not to be deformed at all by external water pressure, the water pressure having a difference according to the change in the water depth acts on the air particles in the air induction pipe (pressure), so that the buoyancy (sea water (water) drag against air) It cannot be said that it does more work than ], but the change in water pressure is the amount of change due to work done to air particles in the air induction pipe.
3. 수면 위에 설치된 공기유입부 주변을 지나는 바람이 공기유입부에 입사되어 공기유도관의 공기흐름을 증가시키는데 따른 운동에너지의 변화량3. The amount of change in kinetic energy caused by the wind passing around the air inlet installed on the water surface entering the air inlet and increasing the air flow in the air induction pipe.
등은 본 고안에 따른 장치의 효율을 감소시키는 방향보다 오히려 증가시키는 방향으로 그 함수값(전체 함수값의 합 > 0)이 작용하게 될 것이므로 본 고안이 목적한 기대효율을 보다 극대화하는 함수값으로 이용될 수 있을 것이다.The function value (sum of the total function value> 0) will act in the direction of increasing the efficiency of the device according to the present invention rather than in the direction of decreasing the efficiency. Could be used.
본 고안은 우리나라 남해안[울돌목 헬리칼 조류발전(2003~2009년), 여수 묘도 HAT 부유식 조류발전(2006~2008년), 하동방수로 헬리칼조류발전(2006년), 완도 횡간수도 조류발전(2008년) 등]에서 회전축과 회전자를 해수면 아래에 설치하여 조류발전을 하고자 했던 계획이 위에서 언급한 바와 같은 문제;This design is the south coast of Korea [Uldolmok Helical Algae Power Generation (2003~2009), Yeosu Myodo HAT Floating Algae Power Generation (2006~2008), Hadong Waterway Helical Algae Power Generation (2006), Wando Transverse Water Flow Algae Power Generation (2008) Year), etc.], the plan to install the rotating shaft and rotor below the sea level to develop algae was the same problem as mentioned above;
조류방향, 해양생물 및 해양부유물 등에 의해 회전축, 회전자(프로펠러) 및 지지구조물 등이 파손되는 등의 다양한 문제로 어려움을 겪고 있는 현실에 비추어 국내 조류발전을 위한 새로운 대안으로 제시될 수 있을 것이라 생각한다.In view of the reality of suffering from various problems such as damage to the rotating shaft, rotor (propeller), and supporting structures due to the direction of the tide, marine life, and marine floating matters, I think it can be presented as a new alternative for domestic tide development. do.
001: 벤튜리식 분사펌프관
002: 공기유도관
003: 결합부
004: 스타트 펌프
005: 회전기기
006: 발전기(Generator)
007: 분사관
008: 분사관 내에서 해수(물)와 혼합된 공기방울
009: 공기유도구
010: 회전식 공기유입구
011: 풍향타
012: 본 고안의 장치를 해상에서 지지하는 해상구조물
014: 공기유도관 분리 및 밀폐 부
015: 배출펌프
[도 2에 표시된 각 기호에 대한 설명]
* P1, v1, A1 는 각 각 (가)지점의 유체압력, 속도 및 유입부의 단면적을 나타내며, P2, v2, A2 는 각 각 분사펌프관 노즐(단면적 최소점) (나)지점의 유체압력, 속도 및 단면적을 나타낸다. ρ는 해수(물)의 밀도이고, 해수의 밀도는 약 ρ = 1,030kg/m3이다.
* P3, v3, A3 는 각 각 [도 2]의 공기유도관 (다)지점 및 공기유도관 내 유체압력, 속도 및 단면적을 나타내며, P4, v4, A4 는 각 각 분사펌프관의 (나)지점과 연결된 공기유도관 (라)지점(공기유입통로, 009)에서의 유체압력, 속도 및 단면적이다. 여기서 ρ'는 공기의 밀도(15℃ 1기압에서 1.0225kg/m3)를 말한다.001: Venturi type injection pump pipe
002: air induction pipe
003: coupling part
004: start pump
005: rotating machine
006: Generator
007: spray pipe
008: air bubbles mixed with seawater (water) in the injection pipe
009: Air oil tool
010: rotary air inlet
011: Wind rudder
012: Offshore structure supporting the device of the present invention at sea
014: Air induction pipe separation and sealing
015: discharge pump
[Description of each symbol shown in FIG. 2]
* P 1 , v 1 and A 1 indicate the fluid pressure, velocity and cross-sectional area of each inlet (A), and P 2 , v 2 and A 2 each spray pump pipe nozzle (minimum cross-sectional area) (b ) Indicates the fluid pressure, velocity, and cross-sectional area at the point. ρ is the density of sea water (water), and the density of sea water is about ρ = 1,030 kg/m 3 .
* P 3 , v 3 , A 3 indicate the air induction pipe (C) point of each [Fig. 2] and the fluid pressure, velocity and cross-sectional area in the air induction pipe, P 4 , v 4 , A 4 each spray It is the fluid pressure, velocity, and cross-sectional area at point (D) of the air induction pipe (D) connected to point (B) of the pump pipe. Here, ρ'refers to the density of air (1.0225 kg/m 3 at 15°C and 1 atmosphere).
Claims (3)
벤튜리식 분사펌프관(001); 및
상기 분사펌프관에 연결되며 공기를 유입받기 위한 공기유도관(002)을 포함하며,
상기 공기유도관은 공기유도관 내부에서 상기 풍력 발전기의 회전자(005)에 연결되는 회전기기(005)를 구비하며,
상기 분사펌프관은
벤튜리식 분사펌프관과 공기유도관을 연결하기 위한 결합부(003); 및
상기 분사펌프관 내부를 조류가 통과하는 과정에서 유속차로 인한 최저기압을 형성하는, 결합부 부분에 형성된 공기유도구(009)를 구비하는 것을 특징으로 하는 조류에너지를 이용한 풍력발전 장치.In the wind power generation device that is used in conjunction with a wind power generator and uses tidal energy,
Venturi type injection pump pipe (001); And
It is connected to the injection pump pipe and includes an air induction pipe (002) for receiving air,
The air induction pipe includes a rotating device 005 connected to the rotor 005 of the wind generator inside the air induction pipe,
The injection pump pipe
A coupling part (003) for connecting the venturi-type injection pump pipe and the air induction pipe; And
Wind power generation device using the algae energy, characterized in that it comprises an air flow tool (009) formed in the coupling portion to form a minimum pressure due to the flow rate difference in the process of passing the algae inside the injection pump pipe.
공기유도관의 입구측 상단에 마련된 공기유입구(010); 및
상기 공기유입구의 상단에 설치된 풍향타(011)를 구비하며,
상기 공기유입구는 상기 풍향타에 의해 바람 방향을 향하도록 상기 공기유도관의 다른 부분에 대해 회전될 수 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 조류에너지를 이용한 풍력발전 장치.The method of claim 1, wherein the air induction pipe (002)
An air inlet 010 provided at an upper side of the inlet of the air induction pipe; And
It has a wind rudder (011) installed on the top of the air inlet,
The air inlet has a structure that can be rotated relative to the other portion of the air induction pipe to the direction of the wind by the wind rudder wind power device using algae energy.
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KR20110058998A (en) * | 2009-11-27 | 2011-06-02 | 이용식 | Tide generator having multi-winges type |
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- 2011-08-01 KR KR2020110006957U patent/KR200458527Y1/en not_active IP Right Cessation
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