유속증가를 위한 프리캐스트 벽식 복합 발전구조물{Precast Wall Type Hybrid Power Generation Structure for increasing flow}

본 발명은 조류발전을 위한 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유속을 증가시킬 수 있도록 프리캐스트 부재를 이용해 구축된 프리캐스트 벽식 복합 발전구조물에 관한 것이다.

대체에너지, 청정에너지, 신재생 에너지는 서로 유사한 의미로 사용된다. 대체에너지는 자연환경에 매우 지배적이며, 불규칙한 날씨나 환경에 따라 발전량 예측도 쉽지 않다. 이로 인해 정확한 발전량 산출이 어렵고 발전량 또한 연속적이지 못하다. 그러나 달의 인력, 지구의 자전 및 공전에 의해 정기적이고 주기적으로 반복되는 현상을 이용하는 조수간만의 차이를 이용한 발전시스템은 발전량 예측 및 연속적인 발전이 가능하다. 이러한 현상을 이용하는 에너지 자원중에서도 조수간만의 차에 의한 수면낙차를 이용한 조력발전은 건설 및 개발비용이 많이 들고, 유지관리비가 높으며, 해양환경에 막대한 영향을 미치므로 친환경적인 에너지 목적에 역행하는 경우가 발생할 수 있으므로 신중을 기해야 한다. 또한, 조수간만의 차이가 일정수준이상의 지역조건이 필수적으로 만족되어야 하며, 특히, 조수간만의 차 가 큰 서해안에 조력발전시설을 건설할 경우 수심이 완만하여 해안으로부터 먼 거리에 댐을 위치해야하며 선박항해방해 및 갯벌의 황폐화에 대한 문제가 우려된다.

조수간만의 차이를 이용한 발전형식 중 조력에 이어 국내 및 기술선진국에서 관심을 갖고 있는 형태는 조류발전이다. 조력발전이 조력댐을 만들고 조지와 외해 사이의 낙차를 이용하여 발전하는 것과는 달리 조류발전은 조류의 흐름이 빠른 곳을 선정하여 그 지점에 수차발전기를 설치하고, 자연적인 조류의 흐름을 이용하여 설치된 수차발전기를 가동시켜 발전하는 것이다. 따라서 해양에 대규모 댐을 건설할 필요 없이 발전에 필요한 수차와 발전장치를 설치하기 때문에 비용이 적게 드나, 조류가 빠른 지역에 발전장치를 설치해야 하기 때문에 이런 환경을 갖고 있는 것에서 적용이 가능하지만 조류발전의 가장 큰 장점은 날씨 변화나 계절에 관계없이 발전량이 예측가능하며, 신뢰성있는 에너지원으로 적용이 가능하다. 또한, 해수유통이 자유롭고 해양환경에 미치는 영향이 거의 없어 조력발전보다 더 환경친화적인 것으로 평가받고 있다.

그러나 조류발전은 해류 및 조류의 흐름, 즉 유속에 의한 조건에 매우 큰 제약을 받고 있기 때문에 남해안의 울돌목과 같이 폭이 좁고 유속이 빠른 해안에 밀집되며, 수심이 완만한 서해안의 경우 국부적인 설치로 대단위 발전시설의 조성이 어렵다. 따라서 이러한 문제점을 보완하고 조류발전의 활성화 및 효율의 증대시키기 위한 연구가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 해상 강화파일과 프리캐스트 패널벽체를 활용하여 조류발전을 위한 유속 및 유량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 풍력타워의 구조체로서도 활용할 수 있는 복합 발전구조물을 제공하는 있다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따르면, 해저 지반에 서로 이격되게 복수의 파일을 설치하고 이웃하는 파일 사이에 복수의 패널을 순차적으로 삽입 적층하여 구성되는 한 쌍의 벽체를 조력발전 터빈이 설치되는 곳을 향하여 그들 사이의 간격이 조류 방향을 따라 점점 좁아지도록 설치하여 조력발전 터빈이 설치되는 곳에서 유속이 최대가 되도록 한 것을 특징으로 하는 유속증가를 위한 프리캐스트 벽식 복합 발전구조물이 제공된다.

본 발명의 다른 적절한 실시형태에 따르면, 상기 한 쌍의 벽체는 밀물과 썰물시 조류의 방향에 대응하여 그들 사이의 간격이 좁아지도록 X자형으로 설치하여 조력발전 터빈이 설치되는 곳에서 유속이 최대가 되도록 한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시형태에 따르면, 상기 파일은 강관의 내부에 콘크리트를 충전한 강합성 콘크리트 파일 또는 섬유강화플라스틱관의 내부에 콘트리트를 충전한 FRP-콘크리트 합성파일 중 어느 하나이고, 강관 또는 섬유강화플라스틱관은 대향하는 면에 패널의 양단이 삽입되는 수용홈이 각각 형성된다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시형태에 따르면, 상기 패널은 콘크리트 패널 또는 섬유강화플라스틱으로 중공이 형성된 프레임을 구성하고 그 중공에 콘크리트를 충전한 FRP-콘크리트 합성패널이다.

본 발명에 따르면 프리캐스트 제품을 사용한 건식공법이므로 간단한 시공을 통해 환경피해를 최소할 수 있고, 조수간만의 차가 비교적 작은 환경 또는 해류의 흐름이 완만한 환경에서도 설치 및 발전효율을 증진시킬 수 있어 다양한 환경에서 적용이 가능할 것으로 기대된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 표기하며, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 1a는 본 발명에 따른 복합 발전구조물을 나타낸 평면도이고 도 1b는 그 측면도이다.

도 1a, 1b에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 복합 발전구조물(1)은 조수간만의 차가 비교적 작은 환경 또는 해류의 흐름이 완만한 환경에서도 설치 및 발전효율을 증진시킬 수 있는 조류발전 구조물일 뿐만 아니라 해양풍력발전 구조물로서 이용 가능한 것이다. 조류발전 구조물로서 조수간만의 차 및 해류에 의해 발생하는 조류의 흐름을 통수단면을 조절함으로써 증대시키는 형태를 갖고 이 조류발전 구조물에 풍력발전시스템(특히 풍력타워, 3)을 설치함으로써 해양풍력발전 구조물로도 기능할 수 있게 한다. 조류발전 구조물로서 조력발전시스템(특히 조력발전 터빈, 2)이 설치된 위치에서 유속이 증가하는 현상을 이용하여 조수의 방향에 관계없이 지속적이고 효율적인 발전이 가능하고, 구조물의 형태에 따라 유속을 조절할 수 있어 광범위하게 적용될 수 있다. 본 명세서에서 발전시스템이라 함은 조류 또는 바람이 가지고 있는 에너지(운동에너지)를 전기에너지로 변환하는 일련의 장치를 통칭하는 것으로서 증속기, 발전기, 발전기 제어 및 에너지변환용 전력변환장치, 전력계통으로 구성되며 전기를 흡수하는 것으로부터 변환, 정제, 생산, 연계에 이르는 기술을 포함하여 수차(터빈)로 대표되는 에너지변환장치를 포함한다. 본 발명에 적용되는 발전시스템은 특정한 발전시스템으로 한정하지 않으며 이 분야에서 공지된 임의의 발전시스템이 적용될 수 있다.

도 2a는 본 발명에 따른 복합 발전구조물을 구성하는 단위벽체모듈의 일 실시 예를 나타낸 분해사시도이고, 도 2b는 다른 실시 예를 나타낸 분해사시도이다.

도 2a을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 단위벽체모듈은 서로 이격된 한 쌍의 강화파일(110)과 강화파일 사이에 적층 설치되는 다수개의 프리캐스트 패널(120)로 구성된다.

강화파일(110)은 속이 빈 중공관(111)의 내부에 콘크리트(112)를 충전한 것으로, 중공관(111)의 재질에 따라 강관의 내부에 콘크리트를 충전한 강합성 콘크리트 파일 또는 섬유강화플라스틱관의 내부에 콘트리트를 충전한 FRP-콘크리트 합성 파일이 선택적으로 적용될 수 있다. 강관을 사용할 경우 해수에 의해 부식되지 않도록 용융아연도금을 하거나 그 외면에 부식방지도료를 도포하는 등 충분한 방식대책을 세워야 한다. 이러한 점을 고려할 때 FRP-콘크리트 합성 파일로 구성하는 것 이 유리하다. 강화파일(110)을 구성하는 중공관(111)의 대향하는 면에는 프리캐스트 패널의 양단이 삽입되는 수용홈(113)이 각각 형성한다.

강화파일(110) 사이에는 다수개의 프리캐스트 패널(120)이 삽입 설치된다. 즉, 프리캐스트 패널(120)의 폭 방향 양단이 수용홈(113)에 삽입되어 강화파일(110) 사이에 적층 설치된다. 프리캐스트 패널(120)의 폭 방향 양단 및 상하로 적층되는 프리캐스트 패널(120) 간의 접합부에는 수밀성 확보를 위해 가스켓 등과 같은 수밀성 확보를 위한 부재가 더 결합될 수 있다. 또한 프리캐스트 패널(120) 간의 접합부에서의 수밀성을 높이기 위해 프리캐스트 패널(120)의 길이방향 하단에 끼움돌기(121)를 상단에 끼움홈(122)을 각각 형성하여 상부에 위치하는 프리캐스트 패널의 하단에 형성된 끼움돌기(121)가 하부에 위치한 프리캐스트 패널의 상단에 형성된 끼움홈(122)에 삽입시켜 이들을 서로 접합할 수 있다. 본 명세서에서 프리캐스트 패널(120)이란 현장 이외의 장소에서 콘크리트를 미리 타설 양생하여 제작된 패널의 의미로 사용되었고 도 2a에 나타낸 콘크리트 패널(120a) 또는 도 2b에 나타낸 해안환경에서 내구성이 우수하게 유지될 수 있는 FRP-콘크리트 합성패널(120b)을 선택적으로 적용할 수 있다. 본 명세서에서 FRP-콘크리트 합성패널은 도 2b에 나타낸 바와 같이 FRP(Fiber Reinforced Plastics)로 중공이 형성되도록 프레임을 구성하고 그 중공에 콘크리트를 충전한 합성패널을 의미한다.

이상과 같이 구성된 단위벽체모듈(10)(10a)을 도 1a에 나타낸 바와 같이 평면상으로 대략 X자형이 되게 연속적으로 설치함으로써 조류의 유속을 통수단면을 조절함으로써 증대시킬 수 있으며, 폭이 좁아지는 곳에 조류발전 시스템(특히 조력 발전 터빈, 2)을 설치하게 된다.

본 발명에 따른 복합 발전구조물은 단위벽체모듈의 설치 형태에 따라 도 3a, 3b에 나타낸 조수간만의 차이를 이용한 조류발전형시스템과 도 4a, 4b에 나타낸 해류를 이용한 조류발전형 시스템으로 구분할 수 있다. 먼저 도 3a, 3b에 나타낸 조수간만의 차이를 이용한 조류발전형시스템의 경우 단위벽체모듈로 이루어지는 벽체가 대략 X자형으로 설치되며 높이와 길이를 통해 유량, 유속 등을 조절할 수 있고, 지형의 경사에 따라 벽체의 높이를 변화시켜 조수간만의 차이에 의해 발생하는 조류를 통해 발전을 유도하는 형태로서 밀물과 썰물에 관계 없이 모두 발전이 가능하도록 벽체 사이의 거리가 좁아지는 부분에 설치되는 수차는 항상 수중에 위치하도록 한다. 다음으로 도 4a, 4b에 나타낸 해류를 이용한 조류발전형 시스템은 단위벽체모듈로 이루어지는 벽체가 V자형으로 설치되며 일정한 방향의 해류를 이용해 발전을 하는 것으로 지형조건에 의해 벽체의 높이 및 길이가 결정된다. 그리고 도 3a 내지 4b에 나타낸 시스템은 모두 통수면적과 유량 등을 변수로 유속을 적절히 조절할 수 있는 특징이 있으며, 이를 통해 유속이 증가하는 부분에 설치된 조류발전시스템을 통해 발전하게 된다. 그리고 구조물 설치 위치에 따라 단일벽체(도 3a), 이중벽체(도 3b)를 적절히 적용함으로써 구조적 안전성을 높일 수 있다. 이중벽체란 도 3b에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 단위벽체모듈을 이용해 2열로 벽체를 세우고 그 사이에 콘크리트 등을 충전한 벽체를 의미한다.

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 복합 발전구조물의 시공방법을 순서대로 나타낸 사시도이다.

본 발명에 따른 복합 발전구조물은 구조물이 설치될 위치 및 조류의 이용방법을 고려하여 적절한 형태로 강화파일(110)을 설치하고(도 5a), 강화파일(110) 사이에 프리캐스트 패널(120)을 설치한 다음(도 5b, 5c), 발전시스템(2)을 설치 순서로 시공된다(도 5d). 이중벽체로 구성될 경우 벽체 사이에 콘크리트와 같은 채움재 충전한다. 프리캐스트 패널(120)은 강화파일(110) 시공 후 패널의 자중으로 하중을 가하지 않더라도 간단하게 조립할 수 있다. 그리고 모둔 부품은 표준화된 치수를 갖도록 모듈화되어 경제성 및 시공성이 우수하다.

이상에서 본 발명을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1a는 본 발명에 따른 복합 발전구조물을 나타낸 평면도이고 도 1b는 그 측면도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 복합 발전구조물을 구성하는 단위벽체모듈의 일 실시 예를 나타낸 분해사시도이고, 도 2b는 다른 실시 예를 나타낸 분해사시도이다.

도 3a, 3b는 조수간만의 차이를 이용한 조류발전형시스템을 나타낸 사시도이고, 도 4a, 4b는 해류를 이용한 조류발전형 시스템을 나타낸 사시도이다.

도 5a 내지 5d는 본 발명에 따른 복합 발전구조물의 시공방법을 순서대로 나타낸 사시도이다.