조력, 풍력 및 태양열 복합발전장치{the composite power station from tidal power, wind force and solar heat}

본 발명은 조력, 풍력 및 태양열 복합발전장치에 관한 것이다.

특히 본 발명은 출원인 본인이 대한민국 특허청에 특허출원 제10-2000- 0031820호(2000.06.09)로 출원한 조력을 이용한 발전장치를 개량한 것으로, 상기 조력발전장치의 시설에 풍력 발전장치 및 태양열 발전장치를 포함시킴으로서 조력, 풍력 및 태양열과 같은 다양한 자연에너지를 모두 활용하여 발전력을 증가시키고 발전의 경제성을 높이는 복합발전장치에 관한 것이다.

본 발명에 관한 최선의 선행 기술은 출원인 본인이 대한민국 특허청에 출원한 특허출원 제10-2000-0031820호(출원일: 2000.06.09)(명칭: 조력을 이용한 발전장치)를 예로 들 수 있다.

상기 선행 기술은 조력에 의한 수위의 상승력과 수위의 하강력 모두를 발전에 직접 이용하여 전기를 생산하는 발전 방식이다.

그런데 상기 선행 기술은 조력에 의한 수위 상승력과 수위 하강력을 이용하는 조력발전 시설만이 구성되어 있기 때문에 그 결과 발전량이 충분하지 못하여 실용화에 어려움이 있고, 또한 밀물과 썰물이 바뀌는 때, 즉, 조위(潮位)가 일정한 시간대에는 조력발생이 없어서 발전을 못하는 결점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 선행 기술의 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 조력에 의한 수위 상승력과 수위 하강력 모두를 발전에 직접 이용하는 상기 선행기술의 조력발전장치 구성 일부분을 본래의 목적인 조력발전에 이용하면서 동시에 풍력 발전과 태양열 발전에도 이용하여 하나의 장소에서 다양하게 존재하는 조력, 풍력, 태양열, 태양광 등의 자연에너지를 모두 이용하도록 조력발전, 풍력발전, 태양열발전이 일단(一團)의 시설 위에서 동시에 이루어지도록 하여 발전량을 증가시키고 전력 생산비도 절약하여 발전의 경제성을 높이도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 조력, 풍력 및 태양열을 복합적으로 이용함으로서 발전 시간대 면에서 상호 보완적인 효과를 발휘하여 전력을 안정적으로 공급하게 하는데 있다. 즉, 밀물과 썰물이 바뀌는 때 조력이 없는 시간에는 풍력과 태양열로 발전하고, 풍력이 없을 때는 태양열과 조력으로 발전하며, 태양열이 없을 때는 풍력과 조력으로 발전하도록 하여 시간적으로 중단됨이 없이 안정적으로 전력을 공급하기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

해저 지하에 견고하게 고정되도록 매설하여 수직으로 설치되는 지지기둥과;

상기 지지기둥 사이에서 일정한 바닥 면적을 갖고 배치되어서 수면 위에 떠 있는 부선과;

상기 부선에 적어도 1대 이상 설치되는 조력발전설비와;

상기 부선의 가장자리 아래쪽으로 사방 둘레에 설치되어 바닷물의 수면에 작용하는 기압의 힘이 아래쪽에서만 작용하고 위쪽과 사방 둘레에는 미치지 못하도록 하여 썰물시 상기 부선이 바닷물의 수위보다 높은 위치를 유지하면서 하중력이 부가된 상태에서 하강하도록 물로 가득 채워지는 공기막이구조체와;

일단이 상기 조력발전설비의 회전부와 연결되고 타단이 상기 지지기둥의 상,하부에 각각 연결 고정되어 상기 부선의 상,하 이동을 유지하고 동시에 간만의 수위차에 의한 상기 부선의 상,하 이동에 따라 상기 조력발전설비를 구동시켜 발전시키는 연결줄과;

상기 각 지지기둥에 설치되어 공기 유동이 가진 운동 에너지에 의하여 회전되는 회전 날개(rotor blade) 및 이 회전 날개의 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하는 풍력발전설비와;

상기 부선에 설치되어 태양광을 모아서 열로 변환시키는 태양열 집광판 및 이 태양열 집광판과 연결되어 전기를 발전하는 태양열발전설비와;

상기 조력발전설비, 풍력발전설비, 태양열발전설비와 연결되어 이들 조력발전설비, 풍력발전설비, 태양열발전설비에 의하여 생산된 전력을 모아서 하나의 전력으로 통합, 조정하여 송전하는 전력의 통합 및 조정설비로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명을 개략적으로 예시한 조력, 풍력 및 태양열 복합발전장치의 구성 사시도.

도 2는 본 발명을 개략적으로 예시한 조력, 풍력 및 태양열 복합발전장치의 구성 단면도.

도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d는 본 발명의 조력을 이용한 발전장치의 작용상태를 예시한 단면도.

도 4는 본 발명의 설치 예로서, 조수가 드나드는 인공 호수에 조력, 풍력 및 태양열 복합발전장치 여러 개를 이어서 설치한 개략 평면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 지지기둥 20 : 부선

30 : 조력발전설비 32 : 회전부

40 : 공기막이구조체 40a : 공기막이판

50,52 : 연결줄 60 : 지지기둥 보강설비

70 : 회전 날개 80 : 풍력발전설비

90 : 태양열 집광판 110 : 태양열발전설비

130 : 전력의 통합 및 조정설비 140 : 조력발전 송전선

150 : 풍력발전 송전선 160 : 태양열발전 송전선

170 : 복합발전 송전선 180 : 복합발전 송전탑

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명을 개략적으로 예시한 조력, 풍력 및 태양열 복합발전장치의 구성 사시도이고, 도 2는 본 발명을 개략적으로 예시한 조력, 풍력 및 태양열 복합발전의 구성 단면도이며, 도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d는 본 발명의 조력을 이용한 발전장치의 작용상태를 예시한 단면도를 도시한 것이다.

도면부호 10은 지지기둥이다.

상기 지지기둥(10)은, 그 하부가 해저 지하(100)에 매설되어 견고하게 고정되고 수직으로 세워져 있다.

그리고 상기 지지기둥(10)들은 지지기둥 보강설비(60)에 의하여 서로 연결되어 보다 견고하게 설치되어 있다.

도면부호 20은 부선(艀船=바지선)으로서, 상기 부선(20)은 지지기둥(10) 사이에 일정한 바닥 면적을 갖고 배치되어 있으며, 수면 위에 떠 있게 된다.

도면부호 30은 조력발전설비이고, 도면부호 32는 상기 조력발전설비의 회전부로서, 상기 부선(20)위에 적어도 1개 이상 설치되어 있다.

도면부호 40은 공기막이구조체를 도시한 것으로, 상기 공기막이구조체(40)는 상기 부선(20)의 아래쪽으로 사방 둘레에 설치되어 부선(20)과 하나의 몸체를 이루게 된다.

상기 공기막이구조체(40)는 토리첼리의 실험(Torricellis experiments) 및 본 발명의 발명자가 실험한 것에 의거한 것을 적용하였다.

토리첼리(Torricelli, 1608∼1647)는 이탈리아의 물리학자로서 진공의 실재와 대기압의 위력을 다음과 같이 실험하였다. 즉, 한쪽이 막힌 길고 두꺼운 유리관에 수은을 가득 채운 다음, 한쪽을 손가락으로 막아 수은이 담겨진 그릇 위에 세우고 손가락을 떼었을 때 유리관 속의 수은이 서서히 내려가기 시작하여 어느 지점에 이르러서는 더 이상 내려가지 않고 멈추는 것이다. 이 수은의 높이는 76㎝였다.

이 실험에서 수은주가 일정한 점에서 더 이상 내려오지 않고 머물러 있는 것은 대기압의 작용 때문인데, 그 대기압은 수은주 76㎝를 올릴 수 있는 힘을 가지고 있다는 사실이 증명된 것이다.

본 발명의 발명자가 실험한 것은 다음과 같다.

물을 가득 채운 목욕통 속에, 물을 가득 담은 플라스틱 물병을 넣고, 물병 뚜껑을 열어 놓은 상태에서 거꾸로 세웠고, 그리고 목욕통 안에 있는 물 속에 거꾸로 세운 물병이 일정한 높이를 유지하도록 손으로 잡고 있으면서 목욕통의 물을 서서히 빼냈더니, 목욕통 안의 수위가 낮아지면서, 물병 속의 물은 목욕통 안의 물과 높이 차이가 나타나는데도 쏟아져 내리지 아니하였으며, 이때 손으로 잡고 있는 물병이 점점 무거워 졌다.

이 실험에서는, 부선(20)과 하나의 몸체를 이루고 있는 상기 공기막이구조체 (40)가 썰물 때 상기 부선(20)에게 하중력을 부가 시켜 준다는 원리가 증명된 것이다. 이에 따라 상기 공기막이구조체(40)는 도 3c에 도시된 바와 같이 부선(20)과 하나의 몸체를 이루면서 부선(20)의 아래쪽으로 일정한 높이를 갖고 있으며 사방 전 테두리에 걸쳐 안쪽으로 약간 굽힘된 공기막이판(40a)으로 이루어진 밀폐된 공간을 형성하게 되어, 그 공기막이구조체(40)에 공기를 제거하고 물로 가득 채웠을 경우에 그 곳의 물은 위쪽과 사방 둘레에는 기압의 힘이 미치지 못하고 다만, 아래쪽은 바닷물 수면에 작용하는 기압의 힘에 영향을 받아서 썰물 때 공기막이구조체 (40)와 함께 내려갈 수밖에 없고, 따라서 공기막이구조체(40)와 부선(20)은 바닷물의 수위보다 높은 위치(도 2c의 H)에 있게 되고 그 상태에서 공기막이구조체(40)가 품고 있는 물과 함께 하강하게 된다.

도면부호 50,52는 연결줄로서, 일단이 상기 조력발전설비(30)의 회전부(32)와 연결되고 타단이 상기 지지기둥(10)의 상부 및 하부에 각각 연결 고정되어 상기 부선(20)의 상,하 이동을 유지하고, 동시에 간만의 차에 의한 상기 부선(20)의 상,하 이동에 따라 상기 조력발전설비(30)를 구동시켜 전력을 생산한다.

도면부호 140은 조력발전 송전선으로서, 조력발전에서 생산한 전력을 전력의 통합 및 조정설비(130)로 보내게 되어 있다.

도면부호 70은 회전 날개(rotor blade)로서, 각 지지기둥(10)의 상부에 설치되어 공기 유동이 가진 운동 에너지에 의하여 회전되며, 이 회전 날개(70)는 지지기둥(10)에 함께 설치된 풍력발전설비(80)와 연결되어 이 풍력발전설비(80)가 상기 회전 날개(70)의 회전에 따른 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 발전하여 전력의 통합 및 조정설비(130)로 송전하게 되어 있다.

도면부호 150은 풍력발전 송전선으로서, 전력의 통합 및 조정설비(130)와 연결되어 있다.

도면부호 90은 태양열 집광판으로서, 상기 부선(20)에 여러 개 설치되어 태양광을 모아 열로 변환시키게 되며, 상기 태양열 집광판(90)은 태양열발전설비 (110)와 연결되어 전기를 발전하여 태양열발전 송전선(160)을 통해 전력의 통합 및 조정설비(130)에 송전하게 되어 있다.

도면부호 130은 전력의 통합 및 조정설비로서, 조력발전설비(30)와 풍력발전설비(80) 및 태양열발전설비(110)로부터 오는 전력을 통합, 조정하여 복합발전 송전선(170)을 통해 육지의 복합발전 송전탑(180)으로 보낸다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 하나의 장소에 다양하게 존재하는 조력, 풍력, 태양열 같은 자연에너지를 모두 활용할 수 있도록 조력발전, 풍력발전, 태양력발전의 생산 및 공급이 한 덩어리의 시설 위에서 통합적으로 동시에 이루어지도록 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 밀물이 시작되어 약간 올라온 밀물 초기 상태이고, 도 3b는 만조시를 나타낸 것으로, 상세하게는 밀물이 들어와서 가득찬 상태를 나타낸 것이고, 도 3c는 만조상태에서 썰물이 빠져나가는 초기상태이고, 도 3d는 간조상태로서 썰물이 빠져나간 상태를 나타낸 것이다.

간만의 차가 있는 해상 또는 호수에서 밀물 때 바닷물의 수위가 상승함에 따라 부선(20)은 상승압력을 받게 되고 이 상승압력은 일단이 지지기둥(10)에 고정된 연결줄(50)에 의하여 회전부(32)를 회전시켜 조력발전설비(30)를 구동시킴으로서 전기를 생산하여 전력의 통합 및 조정설비(130)로 송전된다. 이때의 획득 가능한 에너지의 크기는 아르키메데스의 원리에 의해 부선(20)의 부피와 같은 양의 바닷물을 최고 수위까지 끌어올리는 만큼의 에너지를 얻을 수 있다.

다음 썰물이 시작되어 바닷물 수위가 하강하게 되면, 바닷물에 떠 있는 부선 (20)이 자중에 의하여 하강하려고 하지만, 부선(20)은 상부 연결줄(52)과 연결된 조력발전설비(30)의 회전부(32)가 회전하는데 상당한 힘을 필요하게 되어 상당한 시간동안 하강하지 못하게 되고, 또한 부선(20) 아래쪽 공기막이구조체(40) 내부의 바닷물은, 위쪽과 사방 둘레에는 기압의 힘이 미치지 못하고 아래쪽만이 바닷물의 수면에 작용하는 기압의 힘에 영향을 받아서 도 3c와 같이 바닷물 수면과 높이차이 (H)를 두고 공기막이구조체(40) 및 공기막이구조체와 하나의 몸체를 이루고 있는 부선(20)과 함께 하강하게 되는데, 이때 부선(20)의 하강력은 부선(20)의 아래쪽에 설치된 공기막이구조체(40)가 품고 있는 물이 바닷물에 대하여 갖고 있는 높이 차이(도 3의 H)에서 비롯되는 위치� ��너지인바, 그 크기는 부선(20)의 무게에 부선 (20)의 아래쪽에 설치된 공기막이구조체(40)에서 품고 있는 물의 무게를 합한 것이며, 이 위치에너지는 썰물 때 바닷물이 하강하는 동안(도 3c 및 도 3d 참조) 계속되고 이때에 부선(20)이 하강하면서 연결줄(52)이 회전부(32)를 회전시켜 조력발전설비(30)를 구동시킴으로서 전기를 생산하여 전력의 통합 및 조정설비(130)로 송전된다.

한편에서는 바람이 불 때 공기 유동이 가진 운동 에너지에 의하여 풍력발전 회전날개(70)가 회전하여 이와 연결된 풍력발전설비(80)에서 전기를 발전하여 전력의 통합 및 조정설비(130)로 송전되며,

다른 한편에서는 태양이 비치는 동안 상기 부선(20) 위에 설치된 태양열 집광판(90)이 태양광을 모아 열로 변환시키게되며, 이 열에너지가 상기 집광판(90)과 연결된 상기 태양열발전설비(110)를 작동시켜 전기를 생산하여 전력의 통합 및 조정설비(130)로 송전함으로써 조력발전, 풍력발전, 태양열발전이 한 덩어리의 시설 위에서 동시에 이루어지고, 이 전력은 전력의 통합 및 조정설비(130)에서 통합, 조정되어 복합발전 송전탑(180)으로 보내진다.

도 4는 본 발명의 설치 예로서, 조수가 드나드는 인공 호수에 조력, 풍력 및 태양열 복합발전장치 여러 개를 이어서 설치한 개략 평면도를 도시한 것이다.

도면부호 120은 바다이고, 190은 인공호수이며, 200은 방조제이고, 210은 바닷물이 출입하는 수문으로서, 간만의 수위차가 있는 상기 인공호수(190)에 본 발명의 조력, 풍력 및 태양열 복합발전설비를 여러 개 이어서 설치함으로써 보다 많은 전력을 생산할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 조력발전, 풍력발전, 태양열발전이 일단(一團)의 시설 위에서 동시에 이루어지도록 함으로써, 일단의 시설을 기준으로 보았을 때 발전량을 증가시키는 효과가 있고, 상기 조력발전을 위하여 설치한 지지기둥(10)과 부선(20)을 조력발전에 이용하고, 동시에 풍력발전과 태양열발전에 까지 이용하는 시설의 다각적 활용으로, 조력발전시설,풍력발전시설,태양열발전시설을 각각 별개로 설치하여 운영하는 것에 비교하여 발전설비 설치비용과 발전설비 운영비가 절약되어 단위전력(kw)당 생산비용이 저렴하여 경제적인 면에서 실용성을 증대시키는 효과가 있다.

또한 조력에 의한 발전, 풍력발전 및 태양열발전이 일단의 시설에 의하여 통합적으로 생산, 공급됨으로서 밀물 썰물이 바뀌는 때 조력이 없는 시간에는 풍력발전과 태양열발전으로 전력을 생산하고, 풍력이 없을 때는 조력발전과 태양열발전으로 전력을 생산하며, 태양열이 없을 때에는 조력발전과 풍력발전으로 전력을 생산하게 됨으로서 발전 및 전력공급 시간대 면에서 상호 보완적인 효과를 발휘하게 되어, 위의 세 가지 종류의 발전 중 어느 한가지 종류의 발전만 하여 전력을 생산 공급하는 것과 비교하면 전력공급 시간대 면에서 안정적인 전력 공급을 가능하게 하는 효과가 있다.

또한 입지조건은 간만의 차이가 있으면서 바람이 불고 해가 비치는 곳이면 호수나 해양 등 어느 곳에서나 설치가 가능하고 특히 많은 수를 연이어 설치하였을 때 효과가 크며, 하나의 장소에 다양하게 존재하는 자연에너지를 모두 활용하는, 하나의 장소의 다각적 활용으로 한곳에서 동시에 세 가지 종류의 발전을 하여 복합적으로 전력을 공급함으로써 국토의 경제적 이용에 기여하는 효과가 있다.