KR200458527Y1

KR200458527Y1 - 조류에너지의 풍력발전에너지로의 변환효율을 극대화하는 방법

Info

Publication number: KR200458527Y1
Application number: KR2020110006957U
Authority: KR
Inventors: 정병우
Original assignee: 정병우
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2012-03-20
Also published as: KR20110008216U

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.

Description

조류에너지의 풍력발전에너지로의 변환효율을 극대화하는 방법{Maximize Method of Converting efficiency Tidal current energy to Wind generating energy}

본 고안은 조류에너지를 이용하는 장치에 관한 것으로, 특히 조류에너지를 풍력에너지로 변환하는 장치에 관한 것이다.

1. 이종유체(異種流體) 간의 압력 및 밀도 차이를 이용한 분사펌프, 수류펌프 등의 기술

2. 풍력발전기술

미국등록특허 US 6,568,181 B1, 등록일 2003.5.27 미국공개특허 US 2005/0099011 A1, 공개일 2005.5.12

삭제

1. 본 고안은 아래와 같은 특성을 갖는 특허문헌 1 및 기존 조류발전의 문제점을 해결하고자 한다.

① 특허문헌 1의 개요

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 개요

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.

③ 특허문헌 2가 해결하고자 한 기존조류발전의 문제점

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 문제점

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]

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]

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.

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.

2. 바다(강)와 대기의 물리량 분석을 통해 기대효율을 극대화 할 수 있는 이론적 기반 구축

3. 풍력발전설비의 단순성을 활용하여 본 고안의 발전설비를 단순화, 경량화

4. 기존 조류발전시스템의 운용에 따른 문제점 해결

5. 조류에너지를 풍력발전에너지로 변환하여 실생활에 이용

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 방법

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

2. 추론된 이론에 의거 예상 장치의 설계 및 데이터 분석을 통한 기대효율 극대화 방안 모색

3. 이를 통해 본 고안의 장치를 제작, 실험 및 실용화하는데 따르는 다양한 제한요소(경제적, 환경적 요소 등) 극복

♣ 구체화 방법

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 개발

2. 분사펌프관 유입부에 입사 된 조류가 노즐을 통과하는 과정에서 발생하는 유속차로부터 분사관(009) 내 압력강하 유도(유입구 압력 >> 노즐부분 압력)

3. 대기압보다 낮게 유도 된 분사관 내 기압강하 지점(009)에 수면 위로부터 유입된 공기유도관 연결(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 개방

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)

6. 유입된 공기가 노즐을 통해 압축, 분사되는 해수(물)와 분사관(007) 내에서 혼합, 분산(008)된 후 대기로 돌아가는 공기의 순환구조 창출

7. 위와 같은 과정을 통해 발생시킨 공기의 흐름으로부터 공기의 운동에너지를 회전에너지 변환[공기유도관 내 회전자(005, 팬 또는 터빈 등) 설치]

8. 회전에너지를 전기에너지로 변환[자석과 유도코일로 구성된 교류발전장치 (006) 연결]

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 극대화

1. 이론적 데이터 분석 방법 구축으로 효율을 극대화 할 수 있는 장치의 사전 설계 및 개발

2. 미래의 에너지 자원인 조류발전에너지의 실용화에 기여

3. 풍력발전의 저비용, 고효율 구조가 적용된 조류발전시스템 구현

4. 발전설비의 단순화, 경량화를 통해 설비의 육상 조립, 해양 설치 및 운영으로 환경오염 예방

5. 유입된 공기를 해수(물) 내에 분산시켜 산소를 공급하므로써 해양(수중)생태환경 개선에 기여

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.

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.

◆ 질량선속(Mass Flux)

[도 1]에서 미소유체의 이동속도를 v라 하면 미소거리 Δl=vΔt(Δt는 미소시간)이므로 미소유체의 질량성분(밀도 ρ인 유체), Δm = ρAΔl이므로

Δm = ρAvΔt 또는 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

ρ₁A₁v₁= ρ₂A₂v₂= 일정 (2)

즉, 비압축성 정상흐름인 유체의 속도는 단면적에 반비례 함을 알 수 있다.

◆ 유체의 운동에너지가 단위시간당 한 일[일률(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)은

(Power) = ½(dm/dt)v² (3)

이고, 식(1)로부터

(Power) = ½ρAv³ = ½ρ(πr²)v³ (4)

으로, 유속(풍속 또는 조류속도)의 세제곱에 비례하는 발전설비의 전력값(일률, Power)을 구할 수 있다.

◆ 베르누이 방정식

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(E_k) 변화량과 같다는 뉴톤역학에 기초하고 있다.

[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

W = P₁A₁Δl₁ - P₂A₂Δl₂ - Δmg(h₂-h₁) (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.

질량(Δm)인 미소유체의 미소운동에 따라 발생한 운동에너지의 변화량(ΔE_k)은 ΔE_k = ½Δm(v₂ ²-v₁ ²)

이므로, W = ΔE_k로부터

(P₁- P₂)(Δm/ρ)- Δmg(h₂-h₁) = ½Δm(v₂ ²-v₁ ²) (6)

따라서 비압축성, 비표면성, 비점성 정상흐름인 유체의 경우 식(6)에서 Δm을 소거하면 아래와 같은 베르누이정리를 유도할 수 있게 된다.

P₁ + ½ρv₁ ² + ρgh₁ = P₂ + ½ρv₂ ² + ρgh₂ = 일정 (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.

P₁ - P₂ = ½ρv₂ ² [1-(A₂/A₁)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.

그러므로 분사펌프관 내 유속이 비교적 짧은 시간 동안 지수함수적 증감되어 유효한 에너지 변환에 장애가 되지 않도록 본 고안에서는 아래와 같이 방법을 채택하였다.

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 방법

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 방법

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 방법

4. 분사관의 출구쪽 유관의 크기를 크게 하여 해수(물)의 진행방향쪽 유체의 밀도를 낮추는 방법(007)

5. 분사관을 벗어 난 공기방울이 해수(물) 속에서 단열팽창하며 수면 위로 상승하는 성질을 이용 분사펌프관의 출구쪽 해수(물)밀도(또는 수압)를 감소시키는 방법

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.

◆ 공기입자의 수면 내 운동에 따른 부력[해수(물)의 1차 유도항력]

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 표시하면

F = ρ'(πr²×Δl)×g (9)

이므로 부력에 반하여 공기기둥을 수심 h까지 이동시키기 위해서 해 주어야 할 일(W)은

W = F?h = [ρ'(πr²×Δl)×g]?h (10)

이다.

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.

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.

(Power)_l = [(ρ'Av)×g]?h (11)

◆ 수압(P)이 미소단면적(A)에 단위시간당 한 일[해수(물)의 2차 유도항력]

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.

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.

(Power)_p= P?[π(r)²×v] (12)

♣ 에너지보존법칙에 의한 실효일률(P_effect) 계산식 유도

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)

(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.

따라서, (Power)_air >> 0 이 된다면 본 고안이 해결하고자 한 과제, '조류에너지의 풍력에너지로의 변환효율을 극대화하는 방법'은 해결 가능한 과제라 할 것이다.

또한, 한 개의 공기유도관에 n개의 분사펌프관을 병렬로 연결하였을 때 조류에 의한 에너지 총량은 그 수만큼 배가되므로 식(14)로부터

(Power)_air = n×(Power)_water - (Power)_l- (Power)_p(14)

와 같은 식을 유도할 수 있다.

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.

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 대입하면

½ρ'(πr₃ ²)v₃ ³ = n×[½ρ(πr₁ ²)v₁ ³]

- [(ρ'πr₃ ²v₃)×g]?h - P₁?[π(r₄)²×v₄]

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.

½ρ'(πr₃ ²)v₃ ³ = n×[½ρ(πr₁ ²)v₁ ³]

- [(ρ'πr₃ ²v₃)×g]?h - P₁?[π(r₄)²×v₃] (15)

♣ 베르누이 정리에 의한 실효일률(P_effect) 계산식 유도

[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.

P₃ - P₄ = ½ρ'v₄ ² [1-(A₄/A₃)²]

v₄ = {2(P₃-P₄)/ρ'[1-(A₄/A₃)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)와유속(v₄)는 비례관계가 있으므로 v₃ > 0 인 관계가 성립할 것이다. 또한 v₄ > 0이면 식(2)로부터 v₃ > 0임을 알 수 있다.

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.

◆ 본 고안을 적용하여 설계한 가상장치로부터 기대효율 구하기

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.

?본 고안에 의한 가상장치?

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?

♣ 에너지보존법칙에 의한 실효일률(Power)_air 산출

[부호의 정리]에 정리된 일과 압력사이의 관계식 및 위의 장치에 관한 데이터를 식(15)에 넣고 정리하면

½ρ'(πr₃ ²)v₃ ³ = n×[½ρ(πr₁ ²)v₁ ³]

- [(ρ'πr₃ ²v₃)×g]?h - P₁?[π(r₄)²×v₃]

이므로

½(1.225kg/m³)[3.14×(0.5m)²]×v₃ ³

= 2×{½(1,030kg/m³)[3.14×(1.5m)²](3m/sec)³}

- [(1.225kg/m³)[3.14×(0.5m)²]×v₃×(9.8m/sec²)×(10m)

- 2×(1,013)×(100)[(kg?m/sec²)]/(m)²×[3.14×(0.1m)²]×v₃

로부터

v₃ ³ + 13,451v₃ - 409,329 = 0 (17)

와 같이 v₃를 매개변수로 하는 3차방정식을 구할 수 있다. 3차방정식(x³+px+q=0)의 근의 공식으로부터 v₃의 값을 구하면,

v₃ ≒ 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 구하면

(Power)_air = 1.14 ×10⁴ 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.

♣ 베르누이 정리에 의한 실효일률(Power)_air 산출

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,

v₂ = v₁(A₁/A₂)= (3m/sec)?π(1.5m)²/π(0.3m)²

≒ 75 m/sec (20)

임을 알 수 있다.

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.

(2기압)- P₂ = ½(1,030kg/m³)×(75m/sec)²×[1-π(0.3)²/π(1.5m)²]

= 2,781,000kg/msec²(≡N/m²)=2,781,000Pa≒(27.5기압)

이므로 분사펌프관 내 최소압력값(P₂)는

P₂ ≒ - 25.5 기압 (21)

이 된다.

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.

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/m³일때 이 지점에서 공기의 유속(v₄)을 구하면, 식(16)으로부터

(1기압)-(-25.5기압) = ½(1.225kg/m³)×v₄ 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. 따라서

v₄ ² = (2,684,450 kg/m?sec)/(0.588kg/m³) = 4,565,392 m²/sec²

v₄ ≒ 2,137 m/sec (22)

이고, 식(2)로부터 v₃ =(A₄/A₃)×v₄=[(πr₃ ²)/(πr₄ ²)]×v₄=(r₃ ²)/(r₄ ²)×v₄ 이므로,

v₃ ≒ 85.5 m/sec (23)

가 된다.

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)_water보다 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.

1. 베르누이 정리는 비압축성 유체에 대한 이론값이므로, 일반적으로 액체유체의 경우에는 합리적이지만, 위와 같이 기체유체의 경우 상당한 오차를 유발하게 된다.

2. 베르누이 정리는 정상유동에 대한 이론식이므로, 속도가 시간의 함수로 주어지는 본 고안과 같은 사례에 적용하기에는 한계가 있다.

3. 베르누이 정리는 비점성유체이고, 시스템내 총 에너지가 보존되어야 한다는 가정에서 성립된 정리이므로 분사펌프 등이 시스템에 있는 본 고안의 경우에는 베르누이 정리를 이용하는데 제한이 따른다.

따라서, 식(22)과 식(23)으로 유도된 산출 값은 본 고안에 유용한 값으로 채택될 수 없다.

■ 결론

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.

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.

마지막으로 위와 같은 결론을 도출하는데 있어 유의미한 영향을 미치지 않는다고 판단하여 고려하지 않은 아래의 함수값;

1. 공기 입자가 공기유도관을 따라 높이(10m)를 자유낙하하는데 따르는 위치에너지 변화량

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 변화량

3. 수면 위에 설치된 공기유입부 주변을 지나는 바람이 공기유입부에 입사되어 공기유도관의 공기흐름을 증가시키는데 따른 운동에너지의 변화량

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.

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;

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.

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, A₁는 각 각 (가)지점의 유체압력, 속도 및 유입부의 단면적을 나타내며, P₂, v₂, A₂는 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, A₃는 각 각 [도 2]의 공기유도관 (다)지점 및 공기유도관 내 유체압력, 속도 및 단면적을 나타내며, P₄, v₄, A₄는 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.

Claims

풍력 발전기와 함께 사용되며 조류에너지를 이용하는 풍력발전 장치에 있어서,
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.
삭제
제1항에 있어서, 상기 공기유도관(002)은
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.