KR101049421B1 - 조류 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조류의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 조류 발전 시스템에 관한 것으로서, 조류의 역방향으로 향하여 상기 조류 발전 시스템의 방향을 고정시켜주는 베인 가이드; 상기 베인 가이드의 양끝에 각각 설치되어 있고, 상기 베인 가이드를 따라 흐르며 속도가 증가된 조류에 의해 회전되는 두 개의 동일한 수직형 터빈; 상기 두 개의 수직형 터빈의 동력을 각각 전달하는 두 개의 터빈 기어, 상기 수직형 터빈의 방향을 동일한 방향으로 변환하기 위한 회전 방향 변환 기어, 상기 수직형 터빈에서 나오는 회전력을 모으는 발전기 연결 주기어 및 상기 발전기 연결 주기어에 연결되어 발전하는 발전기를 포함하는 발전기 수단; 상기 베인 가이드, 수직형 터빈 및 발전기 수단을 연결하여 상기 베인 가이드에 따라 동시에 회전하도록 하는 프레임; 및 상기 프레임이 회전 조정가능하도록 하는 베어링을 포함하는 시스템 기둥을 포함하는 조류 발전 시스템이 제공된다.

조류 발전 시스템, 베인 가이드, 수직형 터빈, 발전기 수단, 프레임, 시스템 기둥, 꼬리 날개, 헬리컬형 터빈

Description

조류 발전 시스템{TIDAL GENERATOR SYSTEM}

본 발명은 조류의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 조류 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 조류의 역방향으로 향하여 조류 발전 시스템의 방향을 고정시켜주는 베인 가이드 및 상기 베인 가이드의 양끝에 각각 설치되어 있고, 상기 베인 가이드를 따라 흐르며 속도가 증가된 조류에 의해 회전되는 두 개의 동일한 수직형 터빈을 포함하는 조류 발전 시스템에 관한 것이다.

해류의 경우 속도는 바람에 비하여 느리나 공기에 비하여 밀도가 매우 높으며 유속이 매우 안정적이므로 결과적으로 낮은 유속에서도 높은 파워가 나올 것으로 예상된다. 이러한 해류를 이용하는 조류발전은 물살이 빠른 곳에 수차발전기(터빈)를 설치해 전기를 생산한다.

자연적인 조류 흐름을 그대로 이용한다는 점에서, 댐에 바닷물을 가뒀다가 흘려보내면서 낙차를 이용해 터빈을 돌려 전기를 만드는 조력발전과 구분된다.

유체의 흐름을 이용하는 조류발전은 저수지를 확보하기 위해 댐을 막을 필요가 없고, 선박 다니기가 자유로우며 어류의 이동을 방해하지 않고 주변 생태계에 영향을 주지 않는 환경친화적 대체에너지 시스템이다.

근래에 급류가 흐르는 해협 및 해역을 중심으로 조류발전소 건립 타당성 조사를 실시하고, 이어 조류발전소 건립 후보지를 선정한 뒤 조류발전 최적화 기법 및 시험 플랜트 가동을 거쳐 조류발전을 시도하고 있다. 하지만 다른 발전소 대비 엄청난 건설비가 들어가는 것에 비해 이러한 조류 발전으로부터 얻는 전력은 미미한 실정이다. 따라서, 저렴하면서도 보다 경제성이 탁월한 조류 발전 시스템이 필요하다.

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 개선하고자 하는 것으로서, 저렴하면서도 보다 많은 전력을 고효율로 생산할 수 있는 경제성이 탁월한 조류 발전 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같다.

본 발명의 제1특징에 따라, 조류의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 조류 발전 시스템으로서, 조류의 역방향으로 향하여 상기 조류 발전 시스템의 방향을 고정시켜주는 베인 가이드; 상기 베인 가이드의 양끝에 각각 설치되어 있고, 상기 베인 가이드를 따라 흐르며 속도가 증가된 조류에 의해 회전되는 두 개의 동일한 수직형 터빈; 상기 두 개의 수직형 터빈의 동력을 각각 전달하는 두 개의 터빈 기어, 상기 수직형 터빈의 방향을 동일한 방향으로 변환하기 위한 회전 방향 변환 기어, 상기 수직형 터빈에서 나오는 회전력을 모으는 발전기 연결 주기어 및 상기 발전기 연결 주기어에 연결되어 발전하는 발전기를 포함하는 발전기 수단; 상기 베인 가이드, 수직형 터빈 및 발전기 수단을 연결하여 상기 베인 가이드에 따라 동시에 회전하도록 하는 프레임; 및 상기 프레임이 회전 조정가능하도록 하는 베어링을 포함하는 시스템 기둥; 을 포함하는 조류 발전 시스템을 제공한다.

본 발명의 제2특징에 따라, 상기 베인 가이드와 함께 추가적으로 상기 조류 발전 시스템의 방향을 고정시켜주고 상기 조류 발전 시스템 뒤에 상기 프레임에 의해 상기 시스템 기둥에 연결된 꼬리 날개를 더 포함한다.

본 발명의 제3특징에 따라, 상기 수직형 터빈은 헬리컬형 터빈이다.

본 발명의 제4특징에 따라, 상기 베인 가이드는 유선형이다.

본 발명의 제5특징에 따라, 상기 조류 발전 시스템은 바다 밑바닥에 고정되거나 반잠수식으로 설치되는 플랫폼을 더 포함한다.

본 발명에 의하면 간단하면서도 보다 많은 전력을 생산할 수 있는 조류 발전기 시스템을 얻을 수 있다.

또한, 베인 가이드의 설치로 바다에 떠 다니는 대형 쓰레기로 인한 터빈 블레이드의 파손을 사전에 방지할 수 있다.

또한, 터빈 날개는 유체 저항을 줄이기 위하여 상하와 안쪽이 열린 형태로 설치하여 터빈의 날개에 부딪힌 유체가 그 다음 날개에 다시 부딪혀서 요동치는 현상이 발생하지 않는다.

작동원리

도 1은 본 발명의 조류 발전 시스템의 개념도이다. 조류가 발생하면 조류 방향(6)으로 베인 가이드(1; vane guide)가 조류의 역방향으로 향하며 뒤의 꼬리 방향타 역할을 하는 꼬리 날개(4)는 추가적으로 방향을 다시 한번 고정시켜준다. 베인 가이드(1)와 꼬리 날개(4)는 고정된 시스템 프레임(3)에 함께 연결되어 있어 동시에 움직인다.

이들 시스템 프레임(3)은 시스템 기둥(10: 도 2 참조)에 설치된 베어링으로 회전 조정이 가능하며 해류 방향에 따라 자연적으로 해류 저항을 줄이는 방향으로 조정된다. 만일 조류가 일정한 바다나 하천에서는 꼬리 날개(4)가 필요 없어 꼬리날개 없이 설치하면 된다.

조류는 유선형의 베인 가이드(1)를 따라 흐르며 속도가 증가하여 최종적으로 양 끝에 설치되어 있는 두 개의 수직형 헬리컬 타입의 헬리컬형 발전기 터빈(2)을 돌린다. 즉, 베인 가이드(1) 측면을 따라 발생한 조류의 흐름은 두 개의 헬리컬형 발전기 터빈(2)에 압력을 가하고, 토크를 발생시킨다. 만일 터빈을 하나만 설치할 경우 편심이 작용하여 역학적으로 불안정하여 두 개를 설치하였다.

유선형의 베인 가이드(1)는 또한 바다에 떠다니는 대형 쓰레기로 인하여 기존의 터빈 블레이드가 파손되는 것을 사전에 막아주는 보호 역할도 한다.

헬리컬 터빈 날개(9)는 헬리컬 형태로 유체 저항을 줄이기 위하여 상하와 안쪽이 열린 형태로 설치하여 헬리컬 터빈의 날개(9)에 부딪힌 유체가 그 다음 날개에 다시 부딪혀서 요동치는 현상이 발생하지 않도록 열린 구조로 설계한다.

두 개의 헬리컬 발전기 터빈(2)의 바깥쪽에 조류가 가해져 회전하여 이와 연결된 발전기 수단(7)으로 전기가 생산된다.

플랫폼(8; 도 2 참조) 상단에는 일단 저속의 수직 회전을 90도로 회전 전환하고 속도를 증가시키는 90도 변환 증속기가 있어 최종적으로 발전기와 연결된다.

플랫폼(8; 도 2 참조) 상단에는 저속의 회전을 증속한 후에 통상적으로 발전기와 이에 딸린 베어링이 수평축인 제품이 일반적이므로 이중 헬리컬 기어를 사용하여 최종적으로 90도로 회전 방향을 전환하여 수평축 발전기와 연결된다.

시스템 기둥(10) 및 헬리컬 블레이드, 즉 헬리컬 터빈 날개(9)에 연결된 베어링은 수직 터빈의 경우 교체시에 어려움이 예상되어 분할식으로 하여 교체가 용이하도록 할 수 있다.

플랫폼(8)은 바다 밑바닥에 고정시키거나 반잠수식으로 설치한다. 반잠수식으로 설치시 대형 배가 지나갈 때 잠시 이동이 가능하도록 한다.

도 5에서, 베인 가이드(1)에 의한 유체에 의해 회전된 헬리컬형 발전기 터빈(2) 상단에 연결되어 동력을 전달하는 두 개의 터빈 기어(11)는 방향이 서로 역방향이므로 이를 동일한 방향으로 바꾸기 위하여 회전방향 변환기어(13)를 더 추가하여 두 개의 터빈에서 나오는 회전력을 발전기 연결 주기어(12)에 모으도록 하였다. 그다음 발전기 연결 주기어(12)에 연결된 발전기를 통하여 발전이 이루어진다.

본 발명에 따른 베인 가이드(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 삼각형일 수도 있고 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 유선형일 수도 있다. 베인 가이드(1)는 당업계에 주지된 다양한 베인 가이드를 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 헬리컬 터빈 날개(9)에 보다 상세히 살펴보겠다. 일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계 또는 장치를 의미한다. 특히, 본 발명의 기술 분야와 관련된 터빈은 바람, 유수 등과 같은 유체의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 장치와 관련된다.

이와 관계된 터빈은 현재 풍력 발전 뿐만 아니라 조수 간만의 차를 이용한 조력 발전, 조류를 이용한 조류 발전 등에 이용되고 있다.

그 동안, 터빈은 소정의 유체 유량 및 속도에 대하여 최대한의 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 방향으로 연구되어 왔으며, 현재에도 이러한 방향으로 연구되고 있다.

최근에, 미국의 노쓰이스턴(Northeastern) 대학의 고를로프(Gorlov) 교수에 의해 유체의 일방향 흐름 뿐만 아니라 다중방향 흐름에 대해서도 일방향 회전을 제공할 수 있는 조류 발전용 헬리컬 터빈이 개발되었다. 이러한 헬리컬 터빈은 한국 공개특허 10-2006-0014267호의 도 1에 도시된 바와 같이 상부와 하부에 터빈 블레이드 지지 부재(50)가 제공되고, 상부에 위치한 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부와 하부에 위치한 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부간에 유선형 단 면의 터빈 블레이드(70)가 헬리컬 형상으로 연장된다. 이러한 구조의 헬리컬 터빈은 유체가 도면상 좌우측면 중 어느 한쪽으로부터 유동하여도 일방향으로 회전할 수 있다. 수행된 실험에 따르면, 이러한 구조의 헬리컬 터빈은 기존의 조류 발전용 터빈에 비하여 효율이 약 50% 정도 높았다.

본 발명의 헬리컬 발전기 터빈(9)이 도 2 내지 도 5에 도시되어 있지만, 상술된 한국 공개특허 10-2006-0014267호에 개시된 바와 같이 이중 블레이드 헬리컬 터빈을 사용하면 헬리컬 터빈의 가동 효율을 한층 더 높일 수 있다.

또한 한국 공개특허 10-2008-0097026에 개시된 바와 같이 유도 돌기를 헬리컬 터빈의 블레이드에 도입하여 유체의 굴절을 방지하고 유체의 직직성을 확보하여 터빈의 효율을 향상시킬 수도 있다.

이상 본 발명이 상기한 실시예를 참조하여 설명되었지만 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않으면서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 헬리컬 터빈 날개(9)가 도시되어 있지만, 다른 형태의 터빈 날개가 사용될 수도 있다. 또한, 본 발명에서는 헬리컬형 발전기 터빈(2)의 한 쌍만이 베인 가이드(1)의 양끝에 각각 설치되어 있지만, 복수개의 쌍으로 이루어질 수도 있다. 그러므로 상술된 실시예는 단지 예시일뿐 한정을 위한 것이 아님을 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나 있으며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 조류뿐만 아니라 가스, 증기등의 유체에 의한 발전에도 응용될 수 있으며, 바람, 유수등과 같은 유체의 일방향 흐름뿐만 아니라 다방향 흐름에 대하여도 일방향으로 빠르게 회전할 수 있는 발전에도 응용될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 조류 발전 시스템의 개념도이다.

도 2는 발전기 수단 박스 및 플랫폼이 장착된 본 발명의 조류 발전 시스템의 도면이다.

도 3은 발전기 수단 및 플랫폼이 제거된 도 2의 조류 발전 시스템을 위에서 내려다 본 도면이다.

도 4는 도 3의 조류 발전 시스템을 옆에서 본 도면이다.

도 5는 도 2의 발전기 수단 박스내의 터빈 기어, 발전기 연결 주기어, 회전방향 변환 기어가 도시된 상태를 도시한 도면이다.

- 도면중 주요 부호에 대한 설명

1: 베인 가이드

2: 헬리컬형 발전기 터빈

3: 시스템 프레임

4: 꼬리 날개(방향타)

5: 시스템 기둥축

6: 조류 방향

7: 발전기 수단

8: 플랫폼

9: 헬리컬 터빈 날개

10: 시스템 기둥

11: 터빈 기어

12: 발전기 연결 주기어

13: 회전방향 변환 기어

Claims (5)

1. 조류의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 조류 발전 시스템으로서,

   조류의 역방향으로 향하여 상기 조류 발전 시스템의 방향을 고정시켜주는 베인 가이드;

   상기 베인 가이드의 양끝에 각각 설치되어 있고, 상기 베인 가이드를 따라 흐르며 속도가 증가된 조류에 의해 회전되는 두 개의 동일한 수직형 터빈;

   상기 두 개의 수직형 터빈의 동력을 각각 전달하는 두 개의 터빈 기어, 상기 수직형 터빈의 방향을 동일한 방향으로 변환하기 위한 회전 방향 변환 기어, 상기 수직형 터빈에서 나오는 회전력을 모으는 발전기 연결 주기어 및 상기 발전기 연결 주기어에 연결되어 발전하는 발전기를 포함하는 발전기 수단;

   상기 베인 가이드, 수직형 터빈 및 발전기 수단을 연결하여 상기 베인 가이드에 따라 동시에 회전하도록 하는 프레임; 및

   상기 프레임이 회전 조정가능하도록 하는 베어링을 포함하는 시스템 기둥;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 조류 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 베인 가이드와 함께 추가적으로 상기 조류 발전 시스템의 방향을 고정시켜주고 상기 조류 발전 시스템 뒤에 상기 프레임에 연결된 꼬리 날개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조류 발전 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수직형 터빈은 헬리컬형 터빈인 것을 특징으로 하는 조류 발전 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베인 가이드는 유선형인 것을 특징으로 하는 조류 발전 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바다 밑바닥에 고정되거나 반잠수식으로 설치되는 플랫폼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조류 발전 시스템.

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