KR20230163314A - 조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈에 관한 것으로서, 좀 더 상세히는 밀물과 썰물의 조류방향 변화에 따라 유연한 돛으로 만든 다단의 나선형 가변익이 오목한 포물면 형상으로 자동 반전되므로 모멘트가 크게 향상되어 발전효율이 극대화되는 조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈에 관한 것이다.
본 발명은 부유선 프레임(115)의 하단에 설치한 수평한 구동축(101)의 전·후방에 각각 날개허브(104a, 104b)를 형성하고, 상기한 각각의 날개허브(104a, 104b)에는 방사상으로 날개축(102a, 102b)을 형성하며, 상기한 각각의 날개허브(104a, 104b)에서 상호 엇갈린 각도의 날개축(102a, 102b)에는 천으로 된 돛 가변익(103)을 나선형으로 장착한 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈 {Multi-helical sail variable wing turbine for tidal current power generation}

본 발명은 조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈에 관한 것으로서, 좀 더 상세히는 밀물과 썰물의 조류방향 변화에 따라 유연한 돛으로 만든 다단의 나선형 가변익이 오목한 포물면 형상으로 자동 반전되므로 모멘트가 크게 향상되어 발전효율이 극대화되는 조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈에 관한 것이다.

조류발전은 해와 달의 인력에 의해 밀물과 썰물이 서로 반전되어 흐르는 바닷물의 힘으로 전력을 생산하는 것으로,

대부분의 조류발전은 발전효율이 좋은 수평축형 터빈을 사용하고 있는데, 수평축형 터빈들은 밀물과 썰물의 방향이 바뀌면 요잉시스템을 이용하여 조류를 정면에서 수용하도록 날개 방향을 변경해야 하고, 요잉시스템을 사용하지 않으면 밀물과 썰물 중 한 방향의 조류만 이용하여 발전을 수행해야 하는 단점이 있다.

수직축형 터빈의 경우에는 요잉시스템을 필요로 하지 않지만, 조류의 역방향으로 회전하는 날개의 저항이 발생하여 발전효율을 감소시키는 단점이 있다.

상기한 단점을 해결하려는 선행기술로 회전 날개가 나선형으로 된 "조류발전 스크류 터빈"(한국등록특허 제1025097970000호)이 창안된 바 있다.

그러나 상기한 "조류발전용 스크류 터빈"은 해저에서 부류식 발전장치와 연결한 구동축을 경사지게 설치해야 하므로 간만의 차가 크거나 낮은 수심에서 적용하기가 어렵고 스크류 터빈의 형상이 한 가닥의 나선형으로만 설치되어 조류 유속이 미약한 곳에서는 에너지 효율이 부족하다는 단점이 있었다.

새로이 창안되는 조류발전 터빈은 간만의 차가 크거나 낮은 수심에서 사용하기 위해서 나선형 터빈을 수평 방향으로 길게 형성한 수평축형의 터빈으로 제작할 필요가 있고. 수평 방향으로 형성한 나선형 날개는 조류의 수용 면적 증가를 위해 한 가닥이 아니라 여러 가닥(다단)으로 꼬인 것을 채택하는 것이 바람직하다. 특히 상기한 나선형의 날개가 조류를 최대한 많이 수용할 수 있도록 조류방향에 따라 스스로 오목한 포물면 형상으로 가변하는 것이라면 더욱 바람직할 것이다.

한국등록특허 제1025097970000호

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 조류발전에 따른 문제점에 착안하여 제안된 것으로서,

본 발명은 수평축형 구동축에 다단으로 긴 나선형의 돛 가변익을 형성하고, 상기한 돛 가변익을 유연한 재질의 천으로 제작하여 밀물과 썰물의 조류방향에 따라 스스로 오목한 포물면 형상으로 변형할 수 있도록 함으로써, 이 돛 가변익에 의해 조류에너지를 수용하는 체적이 증가하여 발전효율을 극대화할 수 있는 새로운 구조의 조류발전 터빈을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 상기한 과제를 달성하기 위한 것으로서,

본 발명의 특징에 따르면, 계류선 프레임(115)의 하단에 설치한 수평적인 구동축(101)의 전·후방에 각각 날개허브(104a, 104b)를 형성하고, 상기한 각각의 날개허브(104a, 104b)에는 방사상으로 날개축(102a, 102b)을 형성하며, 상기한 각각의 날개허브(104a, 104b)에서 상호 엇갈린 각도에 형성된 날개축(102a, 102b)에는 각각 유연한 천으로 직조한 돛 가변익(103)을 나선형으로 장착한 것을 특징으로 하는 조류발전용 다중 나선형 돛 가변익 터빈을 제공하고 있다.

그리고 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기한 구동축(101)에 형성한 동력전달장치(107)에 의해 계류선 프레임(115)의 상단부에서 발전기(105)를 구동하도록 형성한 것을 특징으로 하는 조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈을 제공하고 있다.

그리고 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기한 구동축(101)의 전·후방에 베어링유닛(114)을 장착한 터빈 프레임(102a, 102b)을 형성하고, 상기한 돛 가변익(103)의 외곽에는 양쪽 가장자리의 지름이 중심부의 지름보다 큰 깔때기 틀(113)을 형성한 것을 특징으로 하는 조류발전용 다중 나선형 돛 가변익 터빈을 제공하고 있다.

본 발명은 유연한 천으로 만든 여러 가닥(다단)의 나선형 돛 가변익(103)이 밀물과 썰물의 조류방향에 따라 오목한 포물면 형상으로 자동 변형되어 최대한 조류에너지를 많이 수용하게 되므로 터빈의 구동 모멘트가 크게 향상되어 고효율의 조류발전을 실행할 수 있는 것이다. 또한 상기한 돛 가변익(103)은 여러 가닥으로 구성된 나선형의 구조이면서 수평 방향으로 날개를 길게 형성한 구조이므로 수심이 낮은 조건에서도 대용량의 조류발전을 실현할 수 있는 특장점을 지니고 있다.

도 1은 본 발명을 해역에 적용한 측면도,
도 2는 본 발명을 해역에 적용한 상면도,
도 3은 본 발명의 터빈부 측면도
도 4는 본 발명의 터빈부 정면도
도 5는 본 발명의 돛 가변익(103) 부분 사시도
도 6은 도 7의 표시선(C-C) 단면도
도 7은 날개축(102a, 102b)에 돛 가변익(103) 한 가닥을 체결된 사시도
도 8은 본 발명의 밀물 흐름 시 터빈부 변화를 나타낸 측면도
도 9는 도 3의 표시선(A-A)의 단면도
도 10은 본 발명의 썰물 흐름 시 터빈부 변화를 나타낸 측면도
도 11은 도 5의 표시선(B-B)의 단면도,
도 12는 본 발명의 깔때기 틀(113)의 얼개도,
도 13은 본 발명의 깔때기 틀(113)의 정면도 및 측면도,
도 14는 깔때기 틀(113)을 장착한 본 발명을 해역에 적용한 측면도.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명을 해역에 적용한 측면도이고, 도 2는 본 발명을 해역에 적용한 상면도, 도 3은 본 발명의 터빈부 측면도, 도 4는 본 발명의 터빈부 정면도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 본 발명에 따르면, 해안 도서 지역 인근의 간만의 차가 심한 낮은 수심의 해역에서도 고효율의 조류발전을 실현할 수 있는 것이다. 섬들이 산재한 도서 지역이나 가두리양식장 등이 있는 곳은 대부분 간만의 차가 크고 수심이 얕아 회전날개의 지름이 큰 조류발전시스템을 채택하여 조류발전을 실현하기가 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 계류케이블(116)로 계류시킨 계류선 프레임(115)의 하단에 수평적인 구동축(101)을 배치하고 여기에 수평적 방향으로 긴 날개 면적을 가진 돛 가변익(103)을 구성하고 있다. 즉, 회전 날개의 반경을 종으로 확대하기 어려운 낮은 수심의 해역에서는 날개의 길이를 횡으로 길게 확대하는 것이 바람직하다.

그리고 낮은 수심의 해역에서는 날개의 단면적을 최대한 크게 하여 조류에너지를 보다 많이 수용하도록 할 필요가 있으므로 본 발명은 수평 구동축(101)에 여러 가닥(다단)의 긴 나선형의 돛 가변익(103)을 형성하고 있다.

특히, 본 발명은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 유연한 천으로 만든 여러 가닥(다단)의 나선형 돛 가변익(103)이 밀물과 썰물의 조류방향에 따라 오목한 포물면 형상으로 자동 변형되어 조류에너지를 수용하는 체적이 최대한 증가하도록 함으로써, 터빈의 구동 모멘트가 크게 향상되어 고효율의 조류발전을 실행할 수 있는 우수한 특·장점을 지니고 있다.

도 1 및 도 4에 도시한 바와 같은 본 발명에 따르면, 상술한 바와 같은 특·장점을 실현하기 위하여, 계류선 프레임(115)의 하단에 설치한 수평적인 구동축(101)의 전·후방에 각각 날개허브(104a, 104b)를 형성하고, 상기한 각각의 날개허브(104a, 104b)에는 방사상으로 날개축(102a, 102b)을 형성하며, 상기한 각각의 날개 허브(104a, 104b)에서 상호 엇갈린 각도의 날개축(102a, 102b)에는 각각 유연한 천으로 직조한 돛 가변익(103)을 나선형으로 장착한 것을 특징으로 하는 조류발전용 다중 나선형 돛 가변익 터빈을 제공하고 있다.

그리고 도 5는 상기한 돛 가변익(103) 한 가닥을 분리하여 펼쳐 보인 사시도이다. 도 5에 도시한 바에 따르면 유연한 재질의 천으로 된 돛 가변익(103)을 사다리꼴로 재단하여 그 빗변의 가장자리 부분에 고정봉(109)과 경사판(110)을 내장하여서 된 것이다. 또한, 도 6은 도 5에 나타낸 표시선(C-C) 부분을 보인 단면도이다. 상기한 도면의 돛 가변익(103)은 조류의 흐름에 순응하여 오목한 포물면으로 변형될 수 있는 유연한 재질의 천을 사용하되 강한 조류력에 대응할 수 있도록 질긴 성질을 가진 재료(나일론 섬유, 아라미드 섬유 등)로 직조한 천을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 도 7은 구동축(101)에 형성한 각각의 날개허브(104a, 104b)에 있어서 상호 엇갈린 각도의 날개축(102a, 102b)에 고정봉(109)과 경사판(110)을 내장한 한 가닥의 가변익(103)을 끼워 나선형으로 장착하는 과정을 보인 사시도이다. 도면 상의 돛 가변익(103)은 각각의 날개허브(104a, 104b)에서 상호 엇갈린 각도의 날개축(102a, 102b)에 나선형으로 장착되어 있다.

한편, 도 8은 밀물(T1)이 흐를 경우 본 발명의 작동 상태를 보인 측면도이고, 도 9는 도 8에 나타낸 표시선(A-A) 부분을 보인 단면도이다. 그리고 도 10은 썰물(T2)이 흐를 경우 본 발명의 작동 상태를 보인 측면도이고, 도 11은 도 10에 나타낸 표시선(B-B) 부분을 보인 단면도이다.

상기한 도 8 및 도 9에 도시한 바에 의하면, 본 발명은 밀물(T1)이 흐르는 시기에는 모든 나선형 돛 가변익(103)이 조류 흐름에 대응하여 도 8의 표시선(A-A)부분을 나타낸 도 9의 단면도처럼 시계방향으로 회전되는 오목한 포물면 형태로 변화하게 된다. 그러므로 나선형의 돛 가변익(103)에 미치는 조류의 체적이 증가하여 터빈의 구동 모멘트가 향상되므로 고효율의 조류발전을 실현하게 되는 것이다.

그리고 도 10 및 도 11에 도시한 바에 의하면, 썰물(T2)이 흐르는 시기에는 모든 나선형 돛 가변익(103)이 조류 흐름에 대응하여 도 10의 표시선(B-B) 부분을 나타낸 도 11의 단면도처럼 반시계 방향으로 회전되는 오목한 포물면 형태로 변화하게 되므로 나선형의 돛 가변익(103)에 미치는 조류의 체적이 증가하여 터빈의 구동 모멘트가 향상된 고효율의 조류발전을 실현하게 된다.

즉, 오목한 포물면 형상으로 변형된 나선형의 돛 가변익(103)은 조류를 수용하는 체적이 증가하여 하중이 커지는 효과를 발휘하게 되고 터빈의 모멘트가 크게 향상된 고효율의 조류발전을 실현하게 된다.

즉, 터빈의 모멘트 공식에 의하면,

W = P×L이고,

W는 모멘트 크기(KN·m)

P는 하중(KN)

L는 날개 길이(m)이므로,

조류발전용 터빈을 구동하는 모멘트(W)는 날개 길이가 일정할 경우 날개가 조류를 수용하는 포물면의 체적에 의한 하중이 증가할수록 비례하여 커진다는 것을 알 수 있다.

이제, 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.

도 12는 상기한 돛 가변익(103)에 미치는 조류의 유속을 증가시키도록 깔때기(113)를 설치한 얼개도 이고, 도 13은 상기한 깔때기(113)의 정면도 및 측면도이다. 도 14는 깔때기(113)를 장착한 본 발명을 해역에 적용한 측면도이다.

상기한 도 12 및 도 13에 도시한 바에 의하면, 본 발명은 상기한 돛 가변익(103)의 외부에 양쪽 가장자리의 지름이 중심부의 지름보다 크게 형성한 깔때기(113)를 장착하고, 상기한 깔때기(113)의 내부에는 베어링유닛(114)을 형성한 터빈 프레임(102a, 102b)을 장착하며, 상기한 베어링유닛(114)에는 발전기(105)를 구동하는 돛 가변익(103)의 구동축(101)을 장착하여서 된 것이다. 이렇듯 상기한 돛 가변익(103)의 외부에 깔때기(113)를 장착한 것은 돛 가변익(103)에 미치는 조류의 유속을 증가시켜 발전효율이 크게 향상되도록 하기 위한 것이다.

즉, '베르누이 정리'를 인용하면 유체의 밀도가 일정하다고 할 때, 깔때기(113)의 입구 쪽 단면적이 A1, 출구 쪽 단면적이 A2, 입구 쪽 유속이 V1, 출구 쪽 유속이 V2라면 단위시간 동안에 움직인 질량은 같아야 하므로 V1*A1 =V2*A2의 공식이 성립한다. 그러므로, 깔때기(113)에서는 단면적이 넓은 입구 쪽보다 단면적이 좁은 출구 쪽의 유속이 단면적에 비례하여 커진다는 것을 알 수 있다.

일반적인 조류발전의 공식은,

PW=1/2NQAV³

PW : 발전량(W)

N : 발전기 효율

Q : 해수 밀도(1.025kg/㎥)

A : 해수 접촉 면적(㎡)

V : 조류 속도(m/sec)이므로,

조류발전량(PW)은 조류를 수용하는 블레이드의 면적(A)에 정비례하고 조류 속도(V)의 3승에 비례한다.

예를 들어, 입구 쪽 단면적이 중간 부분보다 2배가 클 경우 깔때기(113)의 중간부 조류 속도(V)가 2배로 증가하므로 깔때기(113)의 중간부에 내장된 터빈의 발전량은 유속 2의 3승에 해당한 8배의 크기로 크게 향상된다는 것을 알 수 있다.

이제, 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바에 의하면, 계류케이블(116)에 의해 계류된 계류선 프레임(115)의 상부에 부유체(106)와 발전기(105)를 장착하고 하부에는 본 발명의 조류발전용 다중 나선 돛 가변익 터빈이 장착되어 그 구동력을 동력전달장치(107)에 의해 발전기(106)로 연결하여 전력을 생산하게 되어 있다. 이처럼, 계류선 프레임(115)의 상부에 부유체(106)와 함께 발전기(105)를 장착하면 수중에 발전기(105)를 장착하여 잠기게 하는 경우보다 수리와 관리를 간편하게 시행할 수 있는 장점이 있다.

아직 설명하지 않은 부구(118)는 발전용 계류선 프레임(115)을 해저에 고정하는 계류케이블(116) 증간에 설치하여 강한 조류나 파도에 의해 계류케이블(116)에 과다한 장력이 발생할 때 부구(118)의 부력에 의한 완충작용에 의해 계류선 프레임(115)이 심하게 기울어지거나 충격을 받는 것을 방지할 목적으로 설치한다.

이상의 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

전 세계 국가들은 앞다투어 '탄소제로'를 선언하고, 온실가스 배출원을 줄이기 위한 다방면의 노력을 기울이고 있다. 다행히, 지구상에는 빠른 조류가 형성되는 해역이 산재하므로 본 발명과 같은 효율이 좋은 조류발전용 다중 나선 돛 가변익 터빈은 산업상 이용가능성이 매우 크다.

본 발명은 해안 도서지방의 전력 공급, 가두리 양식장의 전력 공급 등의 소형 조류발전용 및 1GW급 이상의 대형 조류발전단지 등에서 폭넓게 활용될 수 있다.

특히, 본 발명의 조류발전용 다중 나선 돛 가변익 터빈에 의한 기대효과는, 기후 위기에 대응하는 탄소중립 실현, 전기차 시대의 전력수요 증가에 대처, 신재생에너지 보급률 확대, 그린 수소의 생산에 이용할 수 있고, 저렴한 조류에너지 이용에 의한 국가의 산업경쟁력 강화, 일자리 창출 등에 크게 이바지할 수 있는 것이다.

101 : 구동축, 102a : 전방 날개축,
102b : 후방 날개축, 103 : 돛 가변익,
104a : 날개허브, 104b : 날개허브,
105 : 발전기, 106 : 부유체,
107 : 동력전달장치, 108 : 조임볼트,
109 : 고정봉, 110 : 경사판,
111 : 고정나사, 112a, 112b : 터빈 프레임,
113 : 깔때기 틀, 114 : 베어링유닛,
115 : 계류선 프레임, 116 : 계류케이블,
117 : 해양쓰레기 차단 틀, 118 : 부구,
T1 : 밀물, T2 : 썰물,
A-A : 절단면도 표시선, B-B : 절단면도 표시선.

Claims (3)

1. 계류선 프레임(115)의 하단에 설치한 수평적인 구동축(101)의 전·후방에 각각 날개허브(104a, 104b)를 형성하고, 상기한 각각의 날개허브(104a, 104b)에는 방사상으로 날개축(102a, 102b)을 형성하며, 상기한 각각의 날개허브(104a, 104b)에서 상호 엇갈린 각도의 날개축(102a, 102b)에는 각각 유연한 천으로 직조한 돛 가변익(103)을 나선형으로 장착한 것을 특징으로 하는 조류발전용 다중 나선형 돛 가변익 터빈.
2. 제1항에 있어서, 상기한 구동축(101)에 형성한 동력전달장치(107)에 의해 계류선 프레임(115)의 상단부에서 발전기(105)를 구동하도록 형성한 것을 특징으로 하는 조류발전용 다단 나선형 돛 가변익 터빈.
3. 제1항 및 제2항에 있어서, 상기한 구동축(101)의 전·후방에 베어링유닛(114)을 장착한 터빈 프레임(102a, 102b)을 형성하고, 상기한 돛 가변익(103)의 외곽에는 양쪽 가장자리의 지름이 중심부의 지름보다 큰 깔때기 틀(113)을 형성한 것을 특징으로 하는 조류발전용 다중 나선형 돛 가변익 터빈.