조류를 이용한 발전용 수차구조물{Water Turbine Structure for Generation Using Tide Current}

본 발명은 조수 간만의 차로 발생하는 조류를 이용하여 발전하는 수차구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조수 간만의 차가 큰 해안에 설치되어 조류의 흐름을 회전에너지로 변환하는 조류를 이용한 발전용 수차구조물에 관한 것이다.

일반적으로 수차(Hydraulic Turbine)는 높은 곳의 물이 낙하할 때 물의 위치에너지를 이용하여 러너(Runner, 회전차) 속을 물이 지나게 해서 기계적 동력을 얻는 회전형 원동기이다. 수차발전기는 수차를 원동기로 하여 전기에너지를 발생하는 교류 또는 직류발전기이다.

종래에 조류를 이용한 조력발전은 조수 간만의 수위차로부터 위치에너지를 운동에너지로 바꾸어 전기에너지로 전환하는 발전방식이다. 조력발전은 조석이 발생하는 하구나 만을 방조제로 막아 해수를 가두고 수차발전기를 설치하여 썰물 때에 저수지와 해수면의 수위차를 이용하여 발전하여 전기에너지를 생산하는 방식이다. 조석 간만의 차가 큰 만이나 강 하구에 댐을 건설하고 밀물과 썰물 때에 터빈을 돌려 발전하는 시스템으로 수력발전과 유사한 방식이다. 조력발전의 주기는 썰물발전(Ebb Generation)과 밀물발전(Flood Generation)으로 이루어진다. 조력발전은 해양에너지를 응용한 발전 방식 중 가장 먼저 개발되었고, 에너지원이 고갈될 염려가 없는 신재생에너지이며, 공해의 원인이 되지 않기 때문에 장차 유망한 발전방법의 하나이다.

본 발명과 관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1213372호의 조류 발전용 수차구조물은 해수의 깊이 방향으로 연장되어 회전되도록 설치되는 수직축과, 상기 수직축의 외주면에 이격 배치되는 다수의 블레이드를 포함하는 발전수차를 포함하여 구성되고, 상기 블레이드는 일측으로 구부러진 판이거나 일측면이 개구되어 내부에 수용공간을 형성하는 함체로 구성되며, 해수의 깊이 방향을 따라 이웃하게 배치되는 블레이드는 서로 다른 회전반경을 가질 수 있도록 한 것으로, 조류의 흐름에 상관없이 수차구조물에서 한 방향으로만 회전되는 회전력을 얻게 되어 지속적으로 발전에너지를 생성할 수 있음은 물론 설계 발전 효율에 근접하도록 하는 조류 발전용 수차구조물을 제공하고, 조류의 흐름에 따라 이동되는 부유물이 발전수차에 감기는 현상을 억제 또는 제한할 수 있으며, 유지 보수가 편리하도록 하는 조류 발전용 수차구조물이 개시되어 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조수의 흐름이 발생하는 해안가에 설치되어 밀물이나 썰물에 의하여 출구의 직경보다 입구의 직경이 큰 원뿔형 수차가 회전하여 발전할 수 있도록 한 것이 목적이다.

또한, 본 발명의 입구보다 출구의 유속이 빨라지는 원뿔형 수차에 구조에 의하여 조류에너지의 효율을 극대화하고 유지 및 관리의 편의성을 향상시키기 위한 것이 다른 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 조류를 이용한 발전용 수차구조물에 있어서, 내부가 중공이고 출구의 직경보다 입구의 직경이 큰 원뿔형 몸체; 상기 몸체 내측면에 일정 간격을 두고 전후방향으로 일정 각도로 경사지게 내측으로 돌출 형성된 복수의 유선형 블레이드; 상기 몸체 입구를 가로 질러 설치된 제1축 지지프레임; 상기 몸체 출구를 가로 질러 설치된 제2축 지지프레임, 및 상기 제1축 지지프레임 중심에 설치된 제1베어링과 제2축 지지프레임 중심에 설치된 제2베어링 사이를 관통하여 축 결합되어 설치된 수평축을 포함하여 이루어진 조류를 이용한 발전용 수차구조물을 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서, 상기 몸체에 설치되어 수평회전력을 증폭시키거나 회전방향을 전환시키는 기어박스와, 상기 기어박스에 축 결합되어 회전에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 기어박스는 복수의 차동기어를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서, 조수의 흐름이 발생하는 해안가에 설치되고 상하 일정 간격을 두고 상기 수평축을 하나 이상으로 고정 지지하는 수직 지지구조체가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 수직 지지구조체에 하나 이상으로 설치된 수차구조물은 각각 상측에서 하측으로 갈수록 크기 및 회전력이 작은 것이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 수직 지지구조체에 설치된 수차구조물은 조수의 부력에 따라 수직 지지구조체를 따라 승강하는 구성이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 몸체 외주연에 평기어가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 제2축 지지프레임에 베벨기어가 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 조수의 흐름에 따라 회전하는 출구보다 입구의 직경이 큰 내부 중공의 원뿔형 수차를 이용하여 입구보다 출구의 빠른 유속으로 회전에너지를 발전시켜 조류에너지의 효율을 극대화시키고, 간단한 구조와 더불어 유지 및 관리의 편의성을 향상시킨 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 조류를 이용한 발전용 수차를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 조류를 이용한 발전용 수차를 나타낸 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 조류를 이용한 발전용 수차를 나타낸 배면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 조류를 이용한 발전용 수차를 절개한 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 조류를 이용한 발전용 수차에 발전기가 축 결합된 것을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 조류를 이용한 발전용 수차에 발전기가 결합된 것을 나타낸 측면도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 조류를 이용한 발전용 수차의 다양한 설시 예를 나타낸 측면도이다.

이하 본 발명에 따른 조류를 이용한 발전용 수차에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 4에서, 발전용 수차구조물(10)은 내부가 중공이고 출구의 직경보다 입구의 직경이 큰 원뿔형 몸체(11)로 이루어진 것이다. 몸체(11)는 조수의 흐름에 수평으로 설치된다. 즉 밀물일 때에 입구가 바다 쪽을 향하고 썰물일 때에 입구가 육지 쪽을 향하도록 설치된다.

몸체(11) 내부 측면에는 복수의 유선형 블레이드(12)가 설치된다. 블레이드(12)는 몸체(11) 내측면에 일정 각도로 경사지게 설치된 것으로, 블레이드(12)는 몸체 중심을 향하여 돌출 형성된다. 블레이드(12)는 몸체(11) 내부를 통과하여 흐르는 유체에 의하여 회전력을 발생시킨다. 따라서 블레이드(12)에 의하여 발생된 회전력은 몸체(11)를 회전시키게 된다. 블레이드(12)는 몸체(11) 내부 측면에 일정 간격을 두고 설치되고, 대략 120도 간격으로 3개가 설치되지만, 3개 이상이나 3개 이하로 설치될 수도 있다.

몸체(11) 입구에는 제1축 지지프레임(13)이 설치된다. 제1축 지지프레임(13)은 몸체(11) 입구를 가로 질러 설치되고, 중심에 제1베어링(15)이 축 결합된다. 그리고 몸체(11) 출구에는 제2축 지지프레임(14)이 설치된다. 제2축 지지프레임(14)은 몸체(11) 출구를 가로 질러 설치되고, 중심에 제2베어링(16)이 축 결합된다. 제1축 지지프레임(13)은 대략 180도 각도의 직선으로 설치되고, 제2축 지지프레임(14)은 대략 120도 각도로 3개의 축으로 설치된다. 그리고 제1축 지지프레임(13) 중심에 설치된 제1베어링(15)과 제2축 지지프레임(14) 중심에 설치된 제2베어링(16) 사이를 관통하여 수평축(17)이 축 결합된다. 수평축(17)은 수차 몸체(11) 중심을 가로 질러 연장되어 축 결합된다.

도 5에서, 몸체(11)의 제2축 지지프레임(14)에 제1베벨기어(18)가 결합되고, 발전기(20)의 회전축에 제2베벨기어(19)가 결합되어 제2축 지지프레임(14)과 발전기(20)가 대략 직각으로 기어 결합될 수 있다. 따라서 몸체(11) 내부를 관통하여 흐르는 조수가 유선형 블레이드(12)를 회전시켜 몸체(11)가 수평축(17)을 중심으로 회전하게 되고, 몸체(11)의 회전력은 제1베벨기어(18)를 회전시키고, 제1베벨기어의 회전력은 치합된 제2베벨기어(19)의 회전으로 발전기(20)가 전기에너지를 발전시킨다.

또한, 도 6에서, 몸체(11)에는 몸체의 수평회전력을 증속 또는 감속시키거나 회전방향을 전환시키는 기어박스(21)가 설치된다. 그리고 기어박스(21)에는 회전에너지를 전기에너지로 변환시키기 위한 발전기(20)가 축 결합된다. 기어박스(21)는 복수의 차동기어를 포함할 수 있다.

또한, 몸체(11) 내부를 관통하는 수평축(17)에 발전기가 설치되어 몸체(11)의 회전력을 발전기에 전달하는 동력전달부재가 설치될 수도 있을 것이다.

또한, 도 7에서, 몸체(11) 외주연에 제1평기어(22)가 설치되고, 발전기(20)의 회전축에 발전기(20)와 축 결합된 제2평기어(23)가 설치될 수 있다. 따라서 몸체(11) 내부를 관통하여 흐르는 조수가 유선형 블레이드(12)를 회전시켜 몸체(11)가 수평축(17)을 중심으로 회전하게 되고, 몸체(11)의 회전력은 제1평기어(22)를 회전시키고, 제1평기어의 회전력은 치합된 제2평기어(23)의 회전으로 발전기(20)가 전기에너지를 발전시킨다.

따라서 본 발명에서는 조수의 흐름에 따른 몸체(11)의 회전력을 발전기(20)로 전달하는 다양한 기어결합 구조나 동력전달기구가 적용될 수 있을 것이다.

이와 같이 이루어진 조류를 이용한 발전용 수차구조물(10)은 조수의 흐름이 발생하는 해안가에 설치된 수직 지지구조체(30)에 설치된다. 즉 도 8에서, 수차구조물(10)의 몸체(11)를 관통하여 회전하는 몸체(11)를 지지하는 수평축(17)이 수직 지지구조체(30)에 베어링(25)으로 고정 결합된다. 더욱이 복수의 수차구조물(10)은 수평축(17)이 수직 지지구조체(30) 상하에 일정 간격을 두고 설치된다. 이때, 수차구조물(10)은 베어링(25)으로 결합된 수직 지지구조체(30)를 중심으로 회동된다. 따라서 도 8에서 수차구조물(10)은 밀물일 때에 입구가 밀물이 유입되는 쪽으로 회동되어 몸체(11) 내부의 유선형 블레이드(12)에 밀물에 의한 회전력이 발생되도록 한다. 그리고 도 9에서는 수차구조물(10)은 썰물일 때에 입구가 썰물이 유입되는 쪽으로 회동되어 몸체(11) 내부의 유선형 블레이드(12)에 썰물에 의한 회전력이 발생되도록 한다.

또한, 수직 지지구조체(30)에 복수로 설치된 수차구조물(10)은 각각 상측에서 하측으로 갈수록 크기 및 회전력이 작은 것이 적용될 수 있다. 이는 조수의 유속이 수면에서 가장 빠른 것임을 감안하여 설치될 수 있다.

한편, 도 10에서, 수차구조물(10)은 수직 지지구조체(30)을 향하여 입구 쪽이 위치하도록 설치된다. 따라서 수직 지지구조체(30)에 설치된 수차구조물(10)은 밀물 때와 썰물 때에 각각 유속의 영향을 받도록 하는 방향 및 위치에 복수로 설치될 수 있을 것이다. 즉 수직 지지구조체(30)에 복수의 수차구조물(10)이 일정 간격으로 고정부재(26)로 고정되어 설치되되, 밀물 때에 회전하는 방향과 썰물 때에 회전하는 방향으로 각각 설치된 것이다. 이는 밀물과 썰물 때에 수차구조물(10)으로부터 회전력을 발생시킬 수 있도록 한 것이다.

또한, 도 11에서, 수차구조물(10)이 수직 지지구조체(30)에 고정 결합하여 설치하되, 수차구조물(10)이 수직 지지구조체(30)를 따라 승강할 수 있도록 한다. 이때, 수차구조물(10)은 부력을 갖는 구조이거나 별도의 부력체와 결합하여 수직 지지구조체(30)를 따라 승강한다. 수차구조물(10)이 조류, 즉 밀물과 썰물에 따라 승강하되, 물속에 잠길 수 있도록 부력이 작용하도록 하는 것이 좋다. 이는 조수의 흐름이 바닷물 표면 가까이에 가장 큰 유속을 갖는 것을 이용하여 수차구조물(10)의 회전력을 극대화시켜 발전에너지의 생성을 극대화시키기 위한 것이다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

10: 수차구조물 11: 몸체 12: 유선형 블레이드 13, 14: 축 지지프레임 15, 16, 25: 베어링 17: 수평축 18, 19: 베벨기어 20: 발전기 21: 기어박스 22, 23: 평기어 26: 고정부재 30: 수직 지지구조체