KR20030050835A

KR20030050835A - 교량부착식 해류발전 시스템

Info

Publication number: KR20030050835A
Application number: KR1020010081369A
Authority: KR
Inventors: 조철희; 나인삼; 김두홍
Original assignee: 학교법인 인하학원
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-06-25

Abstract

본 발명은 청정에너지인 해류의 운동에너지를 에너지원으로 하는 해류발전 시스템에 관한 것으로서,

조수 간만의 차가 크거나 유속이 빠른 지역의 이미 건설된 교량이나 건설중인 교량에 설치 가능하여 설치기간이 짧으며, 상기 교량이 지지 부재로써 이용되어 제작비용을 저렴하도록 하기 위하여,

교량(1)의 상판(2)의 하단 또는 교량(1)의 하부 교각(3)에 설치되는 적어도 하나 이상의 집전장치(11)와, 상기 집전장치(11)와 동수로 형성되며 집전장치(11)에 각각 일측부가 결합되어 수직 하방으로 연장되는 연결 부재(12), 및 상기 연결 부재(12)와 동수로 형성되며 연결 부재(12)의 외주면상에 각각 설치되는 발전기 모듈(20)을 포함하여 구성됨으로써,

설치기간 및 제작비용을 감소시키는 것은 물론이고, 별도의 개발부지를 요구하지 않으며, 수심에 관계없이 장치의 수리 및 보수가 용이한 교량부착식 해류발전 시스템을 제공한다.

Description

교량부착식 해류발전 시스템{BRIDGE CURRENT POWER GENERATING SYSTEM}

본 발명은 해류 내부에 발전기 모듈이 위치하도록 교량에 설치되는 해류발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조수 간만의 차가 큰 지역이나 수심이 깊지 않고 유속이 빠른 지역의 이미 건설된 교량이나 건설중인 교량에 설치함으로써 단기간내에 설치가 가능할 뿐만 아니라 제작비용이 저렴하고, 시스템의 수리 및 보수가 용이하도록 제작되는 교량부착식 해류발전 시스템을 제공하는 것이다.

종래의 발전으로는 화석연료를 에너지원으로 하는 화력발전, 물의 위치에너지를 이용하는 수력발전, 바람의 운동에너지를 이용하는 풍력발전, 태양열을 에너지원으로 하는 태양열발전, 핵분열을 이용하는 원자력발전, 파도를 에너지원으로 하는 파력발전, 해류의 수심에 따른 온도 차이를 이용하는 해양온도차발전, 조수 간만의 차이를 이용하는 조력발전 및 조수 간만의 차이나 지형적인 영향 등으로 해류를 에너지원으로 하는 해류발전 등이 있다.

그 중 화력발전 및 수력발전은 막대한 건설비가 요구되며, 화력발전은 화석에너지에 따른 공해문제를 발생하며, 수력발전은 댐 건설후 광범위한 지역의 수몰에 따른 생태계의 변화는 물론 심한 경우에는 해당지역의 기후까지도 변화시키는 2차적인 환경문제가 제기되고 있는 실정이다.

또한 풍력발전 및 태양열발전은 기상상태의 영향에 지배되므로, 바람이 없는 경우 및 태양복사에너지가 차단되는 경우에는 발전시스템을 가동시킬 수 없다.

원자력발전은 방사선 누출을 차단하기 위해 시설 투자에 막대한 비용이 소비되며, 또한 폐기물 처리에 막대한 비용을 소비해야 하는 등의 여러 제약이 따르는 문제가 있으며, 한 번의 사고라도 발생되면 심각한 환경파괴를 초래하는 위험이 항상 존재한다.

파력발전 및 해양온도차발전은 입지조건에 적당한 지역이 상당히 제한적임에 따라 보편적으로 적용되기가 어려운 문제가 있는 실정이다.

또한, 조력발전은 조석현상에 의한 조수 간만의 차이를 이용하는 것으로, 조석현상은 달과 태양의 인력에 의해 지배적으로 발생되며, 지구가 공전할 때 생기는 원심력의 차이도 영향을 미친다. 조력발전은 조수 간만의 차이가 발생하는 지역의하구나 만을 댐으로 막아 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 수위차를 이용하여 발전하는 방식이다. 상기 조력발전은 발전을 하는 장소가 결정되면 조위의 변화를 예측 할 수 있으며, 청정에너지라는 유리한 측면이 있지만, 갯벌을 황폐화시키고, 방대한 지역이 요구되어 해양 환경에 막대한 영향을 미치며, 실제로 사용할 수 있는 에너지로 변환하기 위한 최소 유효낙차는 약 5 m 로, 적어도 약 5 m 이상의 조수차가 발생되는 장소에 시스템이 설치되어야 하며, 보다 큰 효율을 얻기 위해서는 댐을 기준으로 서로 다른 측에 위치한 조수의 차이가 커야 한다.

건설된 댐을 기준으로 양측간의 해수의 위치에너지에 의한 수압차만을 이용하여 발전하는 조력발전 시스템과 해류발전 시스템과는 차이가 있는데, 이러한 차이점 중 가장 큰 점은 해류발전을 하는 경우에는 해류의 운동에너지를 적극적으로 이용한다는 측면에 있다. 그러므로 해류발전은 조수 간만의 차이가 큰 지역 뿐만 아니라 해류 속도가 빠른 지역도 적당한 입지조건에 해당되며, 조력발전을 하기 위해 요구되는 5 m 이상의 조수차 보다 작아도 실질적으로 발전할 수 있다.

또한 해류발전은 날씨의 변화와 상관없이 계속적인 발전이 가능한 것과 동시에 오염이 없는 청정 에너지원을 이용한다는 측면에서 다른 발전시스템 보다 유리하다.

도 1 및 도 2 는 종래 기술에 따른 해류발전 시스템을 도시한 것으로, 도 1 은 해저면에 고정될 수 있는 별도의 지지 부재를 구비하여야 하는 종래 기술에 따른 해저면 고정식 해류발전 시스템의 일예를 도시하며. 도 2 는 해저면에 고정될 수 있는 별도의 지지 부재를 구비하여야 하는 종래 기술에 따른 해저면 고정식 해류발전 시스템의 다른 일예를 도시한다.

도 1 에 도시된 바와 같은 상기 해저면 고정식 해류발전 시스템은 해수면 아래에서 작동하는 수몰형 시스템으로, 해저면에 고정되는 네 개의 다리(102) 및 상기 다리(102)에 지지되는 플랫폼(101)을 포함하는 지지 부재가 구비된다.

상기 플랫폼(101)에 지지되며 플랫폼(101)을 기준으로 수직 상하방으로 이동할 수 있는 수직구조물(106)의 최하단에 블레이드를 구비한 발전기 모듈(103)이 설치되어 있다.

상기 종래의 해저면 고정식 해류발전 시스템은 오염없는 청정에너지를 발전하며 기후의 변화에 상관없이 지속적인 발전이 가능하나 지지를 위한 별도의 다리(102) 및 플랫폼(101)을 설치해야만 하므로 설치 비용 및 제작 비용이 증가된다. 또한, 수심이 깊은 지역에 설치할 경우에는 설치하기가 어려우며 설치 비용이 더욱 더 증가하게 되는 문제점이 있다.

도 2 는 도 1 에 도시된 해저면 고정식 해류발전 시스템의 네 개의 다리(102) 및 플랫폼(101)을 대체하는 두 개의 다리(202) 및 레일(201)을 구비하는 해류발전 시스템을 도시하고 있다.

상기 레일(201)은 두 개의 다리(202)에 형성된 홈에서 수직 상하방으로 이동가능하도록 지지되며, 레일(201)의 하단에서 레일(201)을 따라 이동할 수 있도록 지지되는 지지고정물을 포함한 발전기 모듈(203)이 설치되어 있다.

도 2 에 도시된 종래의 해저면 고정식 해류발전 시스템 또한 별도의 다리(102) 및 레일(101)을 설치해야만 하므로 설치비용 및 제작비용이 증가되며,수심이 깊은 지역에 설치할 경우에는 설치하기가 어려우며 설치 비용이 더욱 더 증가하게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이미 건설된 교량이나 건설중인 교량에 설치되어 별도의 지지를 위한 구조물을 설치할 필요가 없으며, 설치작업이 용이하여 단기간내에 설치 가능하며, 설치비용이 저렴하고, 별도의 개발부지를 요구하지 않으며, 또한 사용하는 동안 장치의 수리 및 보수가 용이하도록 제작되며, 섬이나 해안시설물에 계속적인 전력원으로서도 이용될 수 있는 교량부착식 해류발전 시스템을 제공하는데 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 해류발전 시스템의 일예를 도시한 사시도.

도 2 은 종래 기술에 따른 해저면 고정식 해류발전 시스템의 다른 일예를 도시한 사시도.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템을 도시한 정면도.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템을 도시한 측면도.

도 5 는 도 4 의 Ⅰ-Ⅰ′선에 따른 단면도.

도 6 은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템을 도시한 정면도.

도 7 은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템을 도시한 정면도.

*도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명*

1: 교량

2: 상판

3: 하부 교각

4: 상부 교각

11, 11′, 11″: 집전장치

12, 12′, 12″: 연결 부재

13: 지지 수단

16: 발전기

17: 프로펠러

18: 허브

21: 주집전장치

이를 실현하기 위한 본 발명은,

해류의 운동에너지를 에너지원으로 하는 해류발전 시스템에 있어서;

교량의 상판의 하면 또는 교량의 하부 교각의 측면에 설치되는 적어도 하나 이상의 집전장치와,

상기 집전장치에 일측부가 각각 결합되는 연결 부재, 및

상기 연결 부재가 삽입되도록 내부에 가이드홀이 각각 형성되며 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 각각의 발전기와, 상기 발전기의 전단에 설치되어 해류로부터 회전되는 적어도 두 개 이상의 블레이드를 각각 구비하는 프로펠러, 및 상기 프로펠러의 전단에 각각 설치되는 반타원체 형상의 허브로 이루어지는 발전기 모듈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 교량부착식 해류발전 시스템을 제공한다.

또한 상기 연결 부재는 단면이 에어포일 형태로 제작되는 것을 특징으로 하며,

또한 상기 발전기 모듈이 연결 부재의 외주면을 따라 이동할 수 있도록 이동 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다. 참고로, 동일 기능을 하는 동일 구성요소에 대하여 동일한 도면 부호를 부여함을 원칙으로 한다.

도 3 및 도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템을 도시한 것으로, 도 3 은 조수 간만의 차가 큰 지역이나 고속으로 이동하는 해류가 존재하는 지역에 이미 설치된 교량(1) 및 상기 교량(1)의 상판(2)의 하면에 본 발명의 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템이 수직하방으로 설치되는 것을 도시한 정면도이고, 도 4 는 도 3 의 본 발명의 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템의 측면도를 도시하고 있으며, 도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템의 연결 부재(3)의 단면을 도시하기 위해 도 4 의 Ⅰ-Ⅰ′에 따른 단면도를 도시한다. 참고로, 도면상의 부호“∇ ”는 해수면을 나타낸다.

상기 교량(1)의 상판(2)의 하면에 설치되는 적어도 하나 이상의 집전장치(11)는 해류의 운동에너지가 변환된 전기에너지를 1 차적으로 저장할 수 있다.

상기 집전장치(11)와 동수로 형성되며 집전장치(11)의 하단에 일측부가 각각 결합되어 수직 하방으로 길게 연장되는 연결 부재(12)는 내부에 전기에너지를 집전장치(11)로 이송하기 위한 케이블 등과 같은 전기 이송 수단(미도시)이 내장될 수도 있다.

상기 연결 부재(12)를 집전장치(11)에 고정시키기 위한 일예로 고정판 및 고정핀 등으로 구성되는 고정 수단(13)이 각각 사용될 수 있으며, 상기 고정핀은 연결 부재(12)가 받는 진동에 충분히 결딜 수 있는 강도로 설계된다. 상기 연결 부재(12)는 해류의 흐름에 의한 저항을 줄이며, 해류가 원활하게 흐를 수 있도록 수직으로 연장되는 단면은 에어포일(air-foil) 형상으로 제작될 수 있다.

상기 연결 부재(12)와 동수로 형성되며 연결 부재(12)의 외주면상에 해류에 의해 발생한 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기 모듈(20)이 각각 설치된다.

상기 발전기 모듈(20)은 해류의 운동에너지를 기계적인 회전운동에너지로 변환하는 두 개 이상의 블레이드(보다 바람직하게는 두 개, 또는 세 개의 블레이드)를 구비하는 프로펠러(17)와, 상기 프로펠러(17)의 전단부와 동일 축상에서 결합되어 유체의 흐름을 균일하게 분포시키기 위한 반타원체 형태의 허브(18), 및 상기 프로펠러(17)의 후단부와 동일 축상에서 결합되어 프로펠러(17)로부터의 회전운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(16)로 구성된다.

이 때, 실질적으로 상기 발전기 모듈(20)의 발전기(16)는 상기 연결 부재(12)가 삽입되도록 내부에 가이드홀이 형성되어 연결 부재(12)의 외주면상에 설치되는데, 발전기 모듈(20)이 연결 부재(12)에 단순 고정되도록 제작될 수도 있으며, 또한 연결 부재(12)를 따라 이동하도록 제작될 수도 있다. 상기와 같이 발전기 모듈(20)이 연결 부재(12)를 따라 이동하도록 하기 위해 여러 가지 이동 수단(미도시)이 구비될 수 있다. 일예로 상기 이동 수단은 발전기 모듈(20)에 일측이 연결된 줄의 다른 측이 집전장치(11)나 연결 부재(12)의 상단부의 도르레에 고정되도록 형성되어 도르레의 회전에 따라 발전기 모듈(20)이 연결 부재(12)를 따라 이동할 수 있도록 한다(도시되지 않음). 또한 상기 이동 수단은 발전기 모듈(20) 내부에 기어와 모터로 구성되는 기계식 장치가 구비되어, 연결 부재(12)의 표면에 일정간격으로 형성된 무한 궤도를 따라 이동하도록 형성될 수 있다(도시되지 않음).

발전기 모듈(20)이 연결 부재(12)를 따라 이동할 수 있는 교량부착식 이동식 해류발전 시스템은 교량부착식 고정식 해류발전 시스템 보다 고가의 설치 비용 및 장치 비용이 요구되나 필요한 경우 발전기 모듈(20)을 해수면 위로 이동시킬 수 있으므로 장비의 수리, 보수 및 유지가 용이하여 그에 따른 시간 및 비용이 감소될 뿐만 아니라 해류가 가장 큰 속도를 갖는 수심에서 작동되도록 발전기 모듈(20)을 이동할 수 있다는 점에서 유리하다.

상기와 같이 각각의 발전기 모듈(20)을 통하여 발생되는 전기에너지는 1 차적으로 교량(1)의 상판(2)의 하단에 설치된 각각의 집전장치(11)로 이송되고, 상기 각각의 집전장치(11)의 전기에너지가 케이블(미도시)을 통하여 다시 이송되어 저장되는 주집전장치(21)가 도 1 에 도시되어 있다. 상기 주집전장치(21)는 상부 교각(4) 최상단의 내부에 설치하여 공간의 효율성을 높일 수 있으며, 이 때 상부 교각(4)은 충분한 강도를 갖도록 설계된다.

교량(1)의 길이가 상당히 길 경우에 교량(1)의 상판(2)의 상하 요동에 의해 해류발전 시스템의 효율이 낮아지는 것을 방지하고, 교량(1) 및 해류발전 시스템의 파손 및 불안정한 상태를 방지하기 위해 본 발명의 다른 일시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템을 도 6 에 도시한다.

도 6 에 도시된 것과 같이 교량(1)의 하부 교각(3) 일측 또는 양측에 집전장치(11′)가 설치되고, 연결 부재(12′)는 일측부는 집전장치(11′)와 결합되어 직각부까지 교량(1)의 상판(2)과 평행하도록 연장되며 다른 일측부는 직각부에서 수직 하방으로 연장되는 연결 부재(12′)가 구비되고, 상기 발전기 모듈(20)이 상기 연결 부재(12)의 다른 일측부의 외주면상에 설치되는 이동식 해류발전 시스템을 제시한다. 따라서, 교량(1)의 상판(2)을 기준으로 변동하는 해수면의 높이에 따라 발전기 모듈(20)을 수직 상방으로 이동함으로써, 발전기 모듈(20)이 빠른 속도를 갖는 수심내에 위치시킬 수 있으며, 앞서 언급하였듯이 발전기 모듈(20)의 수리, 보수 및 유지 작업을 해수면 위에서 작업할 수 있게 되어 편리하다.

도 7 은 교량(1)의 길이가 상당히 길 경우에 적용될 수 있는 본 발명의 또 다른 일시예에 따른 교량부착식 해류발전 시스템을 도시한다.

도 7 에 도시된 것과 같이 교량(1)의 하부 교각(3) 일측 또는 양측에 집전장치(11″)가 설치되고, 연결 부재(12″)는 일측 끝단이 집전장치(11″)와 결합되어 교량(1)의 상판(2)과 경사지도록 연장되며, 발전기 모듈(20)이 상기 연결 부재(12)의 외주면상에서 설치되는 이동식 해류발전 시스템을 제시한다. 따라서, 교량(1)의 상판(2)을 기준으로 변동하는 해수면의 높이에 따라 발전기 모듈(20)을 이동함으로써, 발전기 모듈(20)이 빠른 속도를 갖는 수심내에 위치시킬 수 있으며, 상기한 바와 같이 발전기 모듈(20)의 수리, 보수 및 유지 작업을 해수면 위에서 작업할 수 있게 되어 편리하다.

또한 교량(1)의 길이가 상당히 길 경우에 본 발명에 따른 교량부착식 해류발전 시스템은 하부 교각(3)의 전면 또는 측면으로부터 해류의 흐름과 반대 방향으로 연장되도록 설치될 수도 있다.

교량부착식 해류발전 시스템이 교각 하부(3)의 전면 또는 측면으로부터 해류의 흐름과 반대 방향으로 하방으로 경사지게 연장되도록 설치될 경우에도 발전기 모듈(20)을 이동식으로 제작하여 해수면 위 또는 아래로 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 해류발전 시스템은 이미 설치된 교량(1)뿐 만 아니라 건설중인 교량(1)에 설치할 수 있는 것은 당연할 것이다.

이상과 같은 본 발명의 교량부착식 해류발전 시스템은 이미 건설된 교량 또는 건설중인 교량의 상판이나 하부 교각에 설치되어 별도의 지지를 위한 구조물을설치할 필요가 없으므로 단기간 내에 설치가 가능하며, 설치비용이 저렴하고, 설치시 수심을 고려할 필요가 없으며, 별도의 개발부지가 요구되지 않는다.

또한, 발전기 모듈이 연결 부재를 따라 해수면 위 또는 아래로 이동할 수 있으므로 장치의 수리 및 보수가 용이하도록 제작될 수 있으며,

또한, 지구 환경정책에 동반하는 오염없는 청정에너지를 기후의 변화에 상관없이 지속적으로 발전하여 해안시설물에 계속적인 전력원으로 사용 가능한 효과를 가진다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부되는 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims

해류의 운동에너지를 에너지원으로 하는 해류발전 시스템에 있어서;

교량(1)의 상판(2)의 하면 또는 교량(1)의 하부 교각(3)의 측면에 설치되는 적어도 하나 이상의 집전장치(11, 11′, 11″)와,

상기 집전장치(11, 11′, 11″)에 일측부가 각각 결합되는 연결 부재(12, 12′, 12″), 및

상기 연결 부재(12, 12′, 12″)가 삽입되도록 내부에 가이드홀이 각각 형성되며 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 각각의 발전기(16)와, 상기 발전기(16)의 전단에 설치되어 해류로부터 회전되는 적어도 두 개 이상의 블레이드를 각각 구비하는 프로펠러(17), 및 상기 프로펠러(17)의 전단에 각각 설치되는 반타원체 형상의 허브(18)로 이루어지는 발전기 모듈(20)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 교량부착식 해류발전 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 연결 부재(12, 12′, 12″)는 단면이 에어포일 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 교량부착식 해류발전 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 발전기 모듈(20)이 연결 부재(12, 12′)의 외주면을 따라 이동할 수 있도록 이동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 교량부착식 해류발전 시스템.