KR20200034218A - 심해저 해류 발전기 및 심해저 해류 발전 시스템 - Google Patents

심해저 해류 발전기 및 심해저 해류 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기는, 해저에 일정한 깊이를 파고 들어가 고정되는 계류부, 변속기가 장착되고 해류의 흐름을 이용하여 전력을 생산하는 발전기, 상기 발전기의 일측에서 상기 발전기의 구동축에 연결되는 프로펠러, 일단은 상기 발전기와 연결되고 타단은 상기 계류부와 연결되며, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 저장소로 이송하고, 상기 발전기가 상기 계류부로부터 일정한 범위 내에 위치할 수 있도록 하는 제1라인, 일단이 상기 제1라인의 타단과 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 저장소에 연결되고, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 상기 저장소로 이송하는 제2라인 및 상기 발전기에 연결되는 적어도 2개 이상의 부유체들을 포함한다.

Description

심해저 해류 발전기 및 심해저 해류 발전 시스템{A TIDAL POWER GENERATOR AND TIDAL POWER GENERATION SYSTEM IN DEEP WATER}
본 발명은 심해저 해류 발전기에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 구조가 단순하며, 심해저에 배치되는 심해저 해류 발전기에 관한 것이다.
최근, 지구 온난화에 따른 환경 규제와 화석 연료의 수급 불안 등의 문제점이 대두됨으로써, 신재생 에너지 생산시스템으로 풍력, 파력 또는 조력을 이용한 발전이 각광을 받고 있다.
조류발전시스템은 조석 간만의 차에 의해 발생하는 해류 흐름을 이용한 발전시스템이다. 이러한 조류발전시스템은 해류 발전기라고도 불리운다.
해류 발전기는 발전기, 터빈, 증속기어박스 및 전력변환장치와 지지구조물 등으로 구성된다. 해류 발전기는 풍력 발전기와 같이 유체의 운동에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고, 증속기어박스를 통해 터빈에 연결된 구동축의 회전 속도를 저속에서 고속으로 변환함으로써 전기를 생산한다. 생산된 전력 또는 전기 에너지는 해저 케이블을 통해 가까운 해변의 변전소로 송전한다.
해류의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 해류 발전기에 적용되는 기본적인 물리 법칙들은 풍력 발전기의 경우와 동일하며, 풍력 발전기의 프로펠러 및 터빈과 유사한 양력 장치가 해류 발전기에 사용되는 것이 비용 측면에서 효과적이고 가장 효율적인 것으로 밝혀져 있다.
해류 발전은 대개 조석 간만에 의해 발생하는 빠른 해류가 흐르는 곳에 해류 발전기를 설치해 전기 발전을 하며, 다음 식 (ㄱ)으로부터 발전출력을 계산한다.
Pw=0.5ηρAV3 (ㄱ)
따라서, 해류 발전에서 얻을 수 있는 발전 출력(Pw)은 해수의 밀도 ρ, 해류 발전기의 효율 η 및 해수 통과 단면적 A에 비례하고 해류 속도 V의 3제곱에 비례하므로 높은 해류 속도 V는 해류 발전기의 효율에 절대적으로 유리하다.
해류 발전기는 대부분 해저지반에 원형 단면을 가진 지지 구조물을 고정하고, 그 위에 발전기를 고정 설치하여 조류 또는 해류의 흐름을 이용해 발전한다.
따라서, 바다 속에 가라앉혀진 해류 발전기들은 풍력 발전기와 똑같은 원리가 적용되며 일렬로 줄지어 세우거나 풍력발전단지 형태와 유사한 형태로 설치한다.
풍력 발전과 해류 발전의 가장 큰 차이는 동일한 정격 출력에 대하여 해류발전기 용 터빈의 크기가 훨씬 작다는 것인데, 이는 유체와 발전기가 훨씬 가깝게 배치될 수 있으며 바닷물의 밀도가 공기의 밀도보다 약 840배 더 크기 때문이다.
조류는 12시간 24분 주기로 하루에 2주기씩 밀물과 썰물이 반복되는 사인곡선 형태로 변화하며, 대개 180도 반대 방향으로 흐른다. 즉, 하루에 4번씩 조석에 따라 해류의 방향이 바뀐다.
따라서, 해류 발전기가 설치된 지역 및 그 주변과 해저 지형의 조건에 따라 해류의 속도가 불균일 하므로, 해류 발전기가 설치된 곳의 안정성 확보나 신뢰성 있는 발전량 조절이 어렵다는 문제점이 있었다.
한편, 일반적으로 해류의 속도나 크기가 반드시 커다란 조석 범위나 높이를 필요로 하는 것은 아니지만, 그 지역의 조석 높이와 연관이 있다. 더욱이, 조력 발전에 비해 해류 발전의 경우 본격적인 대규모 발전이 실현되지 못하고 있는데, 대부분 바다에서 해류의 속도, 즉 에너지 밀도가 경제적인 개발을 하기에는 너무 작기 때문이다.
즉, 전 세계적으로도 해류 발전에 유효한 해류의 평균 속도가 2.0m/s를 넘는 곳은 드문 실정이이서, 해류의 흐름이 빠르게 나타나는 해역이 전 세계적으로 제한되어 있고, 해류의 평균 속도가 2.0m/s를 넘는 지역도 해저의 수심이 너무 깊거나 현지의 지형 또는 접근성이 해류 발전에 바람직하지 않았으며, 현재 사용 가능한 해류 발전기의 발전 효율도 경제성을 확보하기에 미흡하다는 문제점도 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1321920호(2013.06.20, 부유식 해상 발전설비)
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서 일정한 해류의 속도가 유지되는 심해저에 설치되어 지속적으로 경제적인 전력 생산이 가능한 심해저 해류 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서 단순화된 구조를 통해 설비의 확장이나 설계 변경 등이 자유롭게 이루어질 수 있으며 심해저에 설치하기 쉬운 심해저 해류 발전기를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 해수면으로부터 수천 미터 아래에 있는 심해저로써, 해류의 이동 속도 변화가 거의 없는 곳에 해류 발전기를 위치시켜 발전 효율을 극대화 할 수 있는 심해저 해류 발전기를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 해저에 일정한 깊이를 파고 들어가 고정되는 계류부, 변속기가 장착되고 해류의 흐름을 이용하여 전력을 생산하는 발전기, 상기 발전기의 일측에서 상기 발전기의 구동축에 연결되는 프로펠러, 일단은 상기 발전기와 연결되고 타단은 상기 계류부와 연결되며, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 저장소로 이송하고, 상기 발전기가 상기 계류부로부터 일정한 범위 내에 위치할 수 있도록 하는 제1라인, 일단이 상기 제1라인의 타단과 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 저장소에 연결되고, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 상기 저장소로 이송하는 제2라인 및 상기 발전기에 연결되는 적어도 2개 이상의 부유체들을 포함하는 심해저 해류 발전기를 제공한다.
상기 부유체들 각각은 상기 발전기의 본체 및 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.
상기 부유체들을 각각 상기 발전기의 본체 및 상기 발전기의 구동축에 연결하는 적어도 2개 이상의 지지 구조물들을 더 포함할 수 있다.
상기 부유체들은 구형(球形, spherical shape) 일 수 있다.
상기 프로펠러는 적어도 2개 이상의 블레이드를 포함할 수 있다.
상기 변속기는 해류의 변화에 따라 상기 프로펠러의 회전 속도를 변화시킬 수 있는 전자 속도 제어기(Electronics Speed Controls: ESC)일 수 있다.
상기 계류부는 수심 1,000m 내지 4,000m인 해저에 고정될 수 있다.
본 발명은 상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 적어도 2개 이상의 심해저 해류 발전기들, 상기 심해저 해류 발전기들 각각과 전기적으로 연결되며, 상기 심해저 해류 발전기들 각각으로부터 송전된 전력들을 모두 모아 저장소 또는 파워 스테이션으로 재송전 할 수 있는 적어도 1개 이상의 정션 박스(junction box) 및 해상에 부유하는 형태로 배치되며, 상기 심해저 해류 발전기로부터 생산된 전력을 저장하고, 상기 생산된 전력을 육상의 발전소, 송전탑, 변전소 또는 전기 선박으로 송전할 수 있는 해상 파워 스테이션(floatable power station)을 포함하며, 상기 심해저 해류 발전기는, 해저에 일정한 깊이를 파고 들어가 고정되는 계류부, 변속기가 장착되고 해류의 흐름을 이용하여 전력을 생산하는 발전기, 상기 발전기의 일측에서 상기 발전기의 구동축에 연결되는 프로펠러, 일단은 상기 발전기와 연결되고 타단은 상기 계류부와 연결되며, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 상기 해상 파워 스테이션으로 이송하고, 상기 발전기가 상기 계류부로부터 일정한 범위 내에 위치할 수 있도록 하는 제1라인, 일단이 상기 제1라인의 타단과 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 해상 파워 스테이션에 연결되고, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 상기 제1라인을 통해 전달받아 상기 해상 파워 스테이션으로 이송하는 제2라인 및 상기 발전기에 연결되는 적어도 2개 이상의 부유체들을 포함하는 심해저 해류 발전 시스템을 제공한다.
상기 계류부가 삽입될 구멍을 해저에 준설할 수 있는 드릴 쉽을 더 포함할 수 있다.
상기 구멍이 준설되면 상기 심해저 해류 발전기를 상기 구멍에 설치할 수 있는 발전기 설치 선박을 더 포함할 수 있다.
상기 심해저 해류 발전기는 수심 1,000m 내지 4,000m 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 심해저 해류 발전기 및 심해저 해류 발전 시스템은 심해저에 안정적으로 설치되어 일정한 양의 전력을 경제적으로 지속적으로 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 심해저 해류 발전기 및 심해저 해류 발전 시스템은 드릴 쉽을 이용하여 심해저에 심해저 해류 발전기를 설치하므로 종래에 비하여 심해저 해류 발전기의 설치 난이도나 설치 비용이 낮아진다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 심해저 해류 발전기 및 심해저 해류 발전 시스템은 구조가 단순하여 설비의 확장, 유지 보수가 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드릴 쉽이 해저에 심해저 발전기 설치용 구멍을 시공하는 것을 나타내는 도면이다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 심해저 해류 발전기 및 심해저 해류 발전 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
이하에서 설명되는 모든 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 나타낸 것이며, 여기에 설명된 실시 예들과 다르게 변형되어 다양한 실시 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 공지 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위해서 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있으며, 각 구성요소들에 참조번호를 기재할 때, 동일한 구성요소들에 대해서는 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시하였다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명에 대한 다양한 변형 실시 예들이 있을 수 있다.
한편, 구성 요소가 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성 요소의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 구성 요소가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소가 개재되지 않은 것을 나타낸다.
또한, 공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용되거나 구성요소들이 동작할 경우, 구성요소들 간의 서로 다른 방향을 나타내는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성 요소를 뒤집을 경우, 다른 구성 요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성 요소는 다른 구성 요소의 위에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성 요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
그리고, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기에 대하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기(1000)를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기(1000)는 계류부(1100), 발전기(1200), 프로펠러(1300), 제1라인(1400), 제2라인(1500) 및 부유체(1600)를 포함한다.
본 실시 예에 따른 계류부(1100)는 드릴 또는 드라이버와 같은 천공기에 의해 해저(1)에 일정한 깊이의 구멍이 형성되면, 이 구멍을 파고 들어가 고정된다. 따라서, 계류부(1100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 말뚝과 유사한 형태로 구성될 수 있다.
하지만, 계류부(1100)는 반드시 말뚝과 유사한 형태로 구성되어야 하는 것은 아니며, 해저(1)에 고정될 수만 있다면, 못, 나사 또는 앵커(anchor)와 유사한 형태로 구성될 수도 있다.
계류부(1100)는 발전기(1200)와 제1라인(1400)에 의해 연결된다. 따라서, 본 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기(1000)는 해류의 속도 또는 흐름 방향이 변하더라도, 계류부(1100)가 고정된 위치로부터 일정한 범위를 벗어나 흘러가지 않는다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계류부(1100)는 수심 1,000m 내지 4,000m에 위치한 해저 지면을 파고들어 해저(1)에 고정된다.
이렇게, 수심 1,000m 내지 4,000m에 이르는 해저(1)는 심해저(深海底, deep sea bed)라고 정의되고 있으며, 심해저를 흐르는 해류 속도는 평균 2m/s로 알려져 있다.
이에 반하여, 수심이 200m 이내인 연안을 흐르는 해류의 속도는 해역과 조석 간만의 차에 따라 차이가 있지만, 평균 0.5m/s이하로 알려져 있다.
따라서, 본 실시 예에 따른 계류부(1100)는 연안보다 빠른 해류의 흐름이 형성되는 심해저에 심해저 해류 발전기(1000)를 위치시켜, 발전기(1200)의 발전 효율이 극대화되도록 한다.
또한, 종래의 조력 또는 해류 발전기는 설치 방법에 따라, 부유식 또는 착저식으로 구분되는데, 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기(1000)는 계류부(1100)에 의해 해저(1)에 고정되어 수중에서 일정한 수심에 부유한 상태로 위치하게 되므로, 부유식 및 착저식이 혼합된 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기(1200)는 해류의 흐름을 이용하여 전력을 생산할 수 있도록 구성된다.
발전기(1200)는 유체의 흐름을 이용해 회전체를 회전시켜 전력을 생산하는 터빈을 포함할 수 있다. 발전기(1200)에 포함되는 터빈의 종류에 따라, 본 실시 예에 따른 발전기(1200)는 헬리칼(Helical)식, HAT(Horizontal Axis Turbine)식, VAT(Vertical Axis Turbine)식으로 구분될 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기(1200)는 반드시 터빈을 포함해야 하는 것은 아니다. 발전기(1200)가 터빈을 사용하지 않고도 수중에서 유체의 흐름을 이용해 전력을 생산할 수만 있도록 구성된다면, 터빈 이외의 다른 구성을 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기(1200)는 변속기(미도시)를 더 포함한다. 변속기는 발전기(1200)의 내부에 장착되고, 전자 속도 제어기(Electronics Speed Controls: ESC)로 구성될 수 있다.
발전기(1200)는 변속기에 의해 해류 흐름의 방향 또는 속도 변화에 따라 프로펠러(1300)의 회전 속도를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 프로펠러(1300)는 발전기의 구동축(1202)에 연결되며, 발전기(1200)의 일측에 위치하게 된다. 또한, 프로펠러(1300)는 적어도 2개 이상의 블레이드(1301, 1302, 1303)를 포함할 수 있다.
프로펠러의 블레이드(1301, 1302, 1303)는 회전 시 성능 저하를 초래할 수 있는 캐비테이션(cavitation) 현상 즉, 공동 현상을 피하기 위해서, 표면이 매끄럽게 형성되는 것이 바람직하다.
블레이드(1301, 1302, 1303)가 발전기의 구동축(1202)과 가깝게 위치하는 부분은 블레이드 루트(blade root)라고 하며, 발전기의 구동축(1202)과 가장 멀리 위치하는 블레이드(1301, 1302, 1303)의 끝단을 블레이드 팁(blade tip)이라고 한다.
블레이드(1301, 1302, 1303)가 회전할 경우, 블레이드 루트에서는 탄젠셜(tangential) 속도가 상대적으로 블레이드 팁보다 느리다. 따라서, 블레이드(1301, 1302, 1303)는 유체의 흐름 즉, 해류의 흐름에 대하여 최적의 받음각을 받아 더 높은 양력을 발생시키고, 발전 효율을 최대화 하기 위해, 블레이드 루트로부터 블레이드 팁을 향해 블레이드(1301, 1302, 1303)가 비틀어진 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
또한, 캐비테이션 현상을 방지하기 위해, 블레이드 팁의 형상은 라운드 진로 하는 형상을 가지는 것이 바람직하다.
이 외에도 캐비테이션 현상을 방지하기 위해, 블레이드 팁의 회전 속도를 늦추기 위해서 블레이드(1301, 1302, 1303)의 전체적인 크기를 작게 할 수도 있다. 이 경우, 발전을 위한 양력을 충분히 발생시키기 위해서, 프로펠러(1300)에 포함되는 블레이드(1301, 1302, 1303)의 개수는 2개보다 더 많아지는 것이 바람직하다.
또한, 해류의 방향이 바뀌는 것에 대응하기 위하여 블레이드(1301, 1302, 1303)의 단면 형상은 타원 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 해류는 심해저의 상황에 따라, 프로펠러(1300)의 피치(pitch) 전진 방향 또는 피치 전진 방향과 반대되는 후진 방향으로 모두 흐를 수 있으므로, 프로펠러(1300)는 해류의 방향이 바뀌는 것에 대응하여 블레이드(1301, 1302, 1303)의 피치각을 조절할 수 있도록 구성된다.
따라서, 본 실시 예에 따른 프로펠러(1300)는 해류의 흐름 변화에 관계없이, 블레이드(1301, 1302, 1303)의 피치각을 제어하여 양력 발생 효율을 항상 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 본 실시 예에 따른 제1라인(1400)은 전력선과 계류선을 더 포함한다.
이때, 전력선은 일반적으로 전력을 송수신 할 수 있는 대용량 파워 케이블로 구성되며, 계류선은 일정한 인장 강도를 가진, 와이어 또는 샤클 및 체인으로 구성될 수 있다.
전력선은 자체적으로 피복 처리되며, 발전기(1200)와 전기적으로 연결되므로 발전기(1200)로부터 생산된 전력을 육지 또는 해상에 위치한 저장소(1810, 도 2 참조)로 이송할 수 있다.
한편, 전력선과 계류선은 또 다른 하나의 외부 피복에 의해 쌓여 하나의 제1라인(1400)을 구성할 수 있다.
하지만, 이와 다르게 전력선이 계류선의 역할을 하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 전력선을 감싸는 자체 피복 내에 계류선 역할을 하는 와이어가 배치될 수 있다.
제1라인의 일단(1400a)은 발전기(1200)와 연결되고 타단(1400b)은 계류부(1100)와 연결되므로 발전기(1200)는 계류부(1100)에 의해 일정한 해역에서 일정한 수심에 머무를 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 제1라인(1400)에 포함된 계류선의 일단(1400a)은 발전기(1200)와 연결되고 계류선의 타단(1400b)은 계류부(1100)와 연결된다. 그리고, 제1라인(1400)에 포함된 전력선의 일단(1400a)은 발전기(1200)와 전기적으로 연결되며, 전력선의 타단(1400b)은 제2라인(1500)과 전기적으로 연결된다.
따라서, 제2라인의 일단(1500a)은 제1라인의 타단(1400b)과 연결되며, 제2라인의 타단(미도시)은 육지 또는 해상에 위치한 저장소(1810)에 연결된다. 따라서, 발전기(1200)로부터 생산된 전력은 제1 및 제2라인(1400, 1500)을 따라 저장소(1810)로 이송된다.
이러한 저장소(1810)는 해상 파워 스테이션이라고 불릴 수도 있다.
제2라인(1500)은 제1라인(1400)을 구성하는 전력선과 동일한 전력선을 포함하며, 해저(1)에 배치되는 해저 케이블의 형태로 형성될 수 있다. 그러므로, 제2라인(1500)은 그 자체로 전력선으로 구성될 수 있으며, 제2라인(1500)의 전력선 역시 피복에 의해 보호되며, 해저에 제2라인이 설치될 경우, 해저 파이프 내부에 제2라인(1500)이 배치될 수 있다.
본 실시 예에 따른 부유체들(1600)은 적어도 2개 이상의 부유체들(1601, 1602)을 포함하며, 각각의 부유체(1601, 1602)는 발전기 본체(1201)와 발전기의 구동축(1202)에 연결된다.
부유체(1600)는 발전기 본체(1201)와 구동축(1202)을 일정한 수심에 유지시킬 수 있는 충분한 부력을 가지고 있으며, 부유체(1600)에 의해 발전기 본체(1201)와 구동축(1202)은 해저(1)로부터 일정한 높이를 유지하면서 수중에 떠 있게 된다.
한편, 적어도 2개 이상의 부유체들(1601, 1602)이 형성하는 부력은, 발전기(1200)에 연결된 프로펠러(1300)가 해류에 의해 회전할 경우, 해저 지형에 의해 프로펠러(1300)의 회전이 방해 받지 않도록 하기 위하여, 해저(1)로부터 블레이드 팁까지 최소 2~3m정도의 높이를 형성할 정도의 부력을 가지고 있다.
부유체(1600)는 유체인 수중 속에서 일정한 수심을 유지한 채 떠있기 때문에, 부유체(1600)의 형상에 의해 유체 저항이 발생할 수 있으며, 이러한 유체 저항은 프로펠러(1300)가 생성하는 양력에 영향을 미치게 된다. 따라서, 부유체(1600)는 해류에 의한 유체 저항을 최소화하기 위해, 구형(球形, spherical shape)으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 각각의 부유체(1601, 1602)는 적어도 2개 이상의 지지 구조물들(1601a, 1602a)에 의해 발전기 본체(1201) 및 구동축(1202)에 연결된다.
한 개의 지지 구조물(1601a)은 발전기 본체(1201)에 연결되며, 다른 한 개의 지지 구조물(1602a)은 구동축(1202)에 연결된다. 이때, 구동축(1202)에 연결되는 지지 구조물(1602a)은 구동축(1202)의 회전을 방해하지 않기 위하여, 지지 구조물(1602a)이 구동축(1202)에 연결되는 부분(1602b)에 베어링을 더 포함할 수 있다.
또한, 지지 구조물들(1601a, 1602a)은 와이어, 체인, 빔 또는 막대로 구성될 수 있다. 만약, 도 2에 도시된 바와 같이, 지지 구조물들(1601a, 1602a)이 빔 또는 막대로 구성될 경우, 고속 해류의 저항을 최소화하기 위해, 빔 또는 막대의 단면 형태는 폭이 좁은 유선형이나 타원형의 단면 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 2 및 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템(100)을 설명 함에 있어서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기(1000)와 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다. 또한, 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하여 표현하거나 설명할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템(100)을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드릴 쉽이 해저에 심해저 발전기 설치용 구멍을 시공하는 것을 나타내는 도면이다.
해류 발전은 유속이 1.0m/s 내외인 곳에서도 가능하나, 일반적으로 경제성이 있는 전기 발전을 위해서는 해류의 평균 속도가 2.0m/s이상인 곳을 유망지역으로 검토한다.
하지만, 본 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템(100)은 해류의 평균 속도가 2.0m/s이상인 수심 1,000m 내지 4,000m에 이르는 심해저에 해류 발전기(1000)를 배치하여 발전을 하므로, 생산 단가와 공급 단가를 적절하게 조절하여 경제성 있는 전기 발전이 가능하다.
한편, 종래에는 해류의 평균 속도가 2.0m/s이상인 곳에 해류 발전기를 설치할 경우, 해저 지형의 조건 및 지역적인 해류 흐름 형태와 해류 속도에 따라 단위 발전기 1기당 최대 750kW에서 1,000kW 정도의 발전 출력을 내도록 설계되었다.
다만, 단위 발전기 1기당 발전용량이 750~1,000kW인 해류 발전기는 상당히 대용량이라고 할 수 있으며, 평균 해류 속도 2.0m/s일 때, 단위 터빈의 발전 용량이 750kW가 되기 위해서는 발전기에 사용되는 블레이드 지름이 24m이상이 되어야 했다. 또한, 발전 용량이 1,000kW가 되기 위해서는 발전기에 사용되는 블레이드 지름은 27m 이상이 되어야 했다.
즉, 평균 해류 속도 2.0m/s일 때, 발전기의 발전에 사용되는 날개 또는 블레이드의 지름은 20m이상이 되어야 할 뿐만 아니라, 이러한 해류 발전기가 설치될 수 있는 해저의 수심도 더 깊어져서 심해저에 발전기를 설치해야 했다.
평균 해류 속도 2.0m/s처럼 빠른 유속이 형성되는 수중 환경에서 발전 장치 하우징 및 발전 구조물을 설치하기 위해서는, 하루 중 해류 속도가 느려지는 때인, 정조(slack water)를 기다려야 하는데, 단지 몇 분만 정조가 되므로 그 짧은 시간에 발전기가 설치될 기초를 건설하고 해류 발전기를 설치하는 것은 해류의 저항에 의해 몹시 어려웠으며, 많은 비용이 들었다.
따라서, 본 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템(100)은 종래에 비하여 심해저 해류 발전기(1000)를 해저(1)에 손쉽게 설치하기 위한 설치 장치 또는 설치 선박을 포함할 수 있다.
우선, 심해저 해류 발전 시스템(100)은 적어도 2개 이상의 심해저 해류 발전기들(1001 내지 1017), 정션 박스(junction box)(1700) 및 해상 파워 스테이션(floatable power station)(1810)을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 심해저 해류 발전기(1000)에 대한 구성은 이미 상술한 바 있으므로 설명을 생략하도록 한다.
정션 박스(1700)는 조인트 박스(joint box)라고도 하며, 다양한 전선들을 한 곳에 접속하기 위한 박스이다.
복수의 심해저 해류 발전기들(1001 내지 1017) 각각은 정션 박스(1700)와 전기적으로 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 모두 17개의 심해저 해류 발전기들(1001 내지 1017)이 해역에 설치된 경우, 각각의 심해저 해류 발전기를 제1 내지 제17 심해저 해류 발전기(1001 내지 1017)로 구분한다면, 정션 박스(1700)는 2개가 설치될 수 있다. 이때, 정션 박스(1700)는 제1 및 제2 정션 박스(1700a, 1700b)로 구분될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 정션 박스(1700a)에는 10개의 심해저 해류 발전기들(1001 내지 1010)이 제2선(1500)에 의해 전기적으로 연결된다. 즉, 제1 내지 제10 정션 박스(1001 내지 1010)는 제1 정션 박스(1700a)에 연결되고, 제11 내지 제17 심해저 해류 발전기들(1011 내지 1017)은 제2 정션 박스(1700b)와 연결된다.
하지만, 1개의 정션 박스(1700)마다 전기적으로 연결될 수 있는 심해저 해류 발전기의 개수는 심해저 해류 발전기(1000) 1기 당 발전 용량 및 해역에 설치된 심해저 해류 발전기의 총 개수를 고려하여 달라질 수 있으며, 도 2에 도시된 바에 한정되지 않는다.
정션 박스(1700)는 제3라인(1711)에 의해 해상 파워 스테이션(1810)과 전기적으로 연결되어 있으며, 심해저 해류 발전기들(1001 내지 1017) 각각으로부터 송전된 전력들을 모두 모아 해상 파워 스테이션(1810) 또는 저장소로 송전할 수 있다.
이 경우, 제3라인(1710)은 제2라인(1500)과 같이 전력선으로 구성되며 각각의 심해저 해류 발전기들(1001 내지 1017)에서 생성된 전력을 모두 해상 파워 스테이션(1810)으로 전송하기 위해서, 제2라인(1500)보다 대용량 전력 케이블로 구성될 수 있다.
한편, 정션 박스(1700)가 도 2에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 정션 박스(1700a, 1700b)처럼 복수로 구성될 경우, 각각의 정션 박스(1700a, 1700b)는 제4라인(1711)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 이러한 제4라인(1711)은 제3라인(1710)과 마찬가지로 대용량 전력 케이블로 구성된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 정션 박스(1700a, 1700b)는 제4라인(1711)에 의해 연결되며, 제1 정션 박스(1700a)는 제3라인(1710)에 의해 해상 파워 스테이션(1810)에 연결되는 것처럼, 복수의 정션 박스(1700a, 1700b)가 한 개의 정션 박스(1700a)에 연결되고 한 개의 정션 박스(1700a)만 해상 파워 스테이션(1810)에 연결되도록 심해저 해류 발전 시스템(100)이 구성될 수 있다. 하지만, 이런 구성에 한정되는 것은 아니며, 각각의 정션 박스(1700a, 1700b)가 해상 파워 스테이션(1810)에 개별적으로 연결될 수도 있다.
해상 파워 스테이션(1810)은 해상에 부유하는 형태로 배치되며, 육상의 발전소, 송전탑, 변전소와 별도의 해저 전력 케이블(미도시)에 의해 전기적으로 연결된다. 따라서, 해상 파워 스테이션(1810)은 심해저 해류 발전기(1000)로부터 생산된 전력을 육상의 발전소, 송전탑, 변전소로 송전할 수 있다.
또한, 해상 파워 스테이션(1810)은 자체적으로 전력을 저장할 수 있는 저장소 및 전압을 변환할 수 있는 변전소도 포함할 수 있다. 따라서, 해상 파워 스테이션(1810)은 심해저 해류 발전기(1000)로부터 생산된 전력을 저장해 둘 수 있다. 이렇게 해상 파워 스테이션(1810)은 저장된 전력은 해상 파워 스테이션(1810)의 자체적인 운용을 위해 사용되거나, 해상 파워 스테이션(1810)에 도킹(docking)하는 전기 선박(1900)에 전력을 공급 또는 충전하기 위해 사용된다.
한편, 본 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템(100)은 드릴 쉽(drill ship)(1800) 및/또는 발전기 설치 선박(미도시)을 더 포함한다.
도 3을 참조하면, 드릴 쉽(1800)은 장착된 시추 장비를 이용하여 계류부(1100)가 삽입될 구멍을 해저(1)에 준설할 수 있다. 드릴 쉽(1800)의 시추 장비를 이용하면 수면으로부터 해저를 향하여 최대 10km까지 구멍을 준설할 수 있으므로, 수심 1,000m 내지 4,000m에 이르는 심해저에 심해저 해류 발전기(1000)가 설치될 구멍을 팔 수 있다.
발전기 설치 선박은 드릴 쉽(1800)에 의해 계류부(1100)가 삽입될 구멍이 준설되면, 심해저 해류 발전기(1000)를 구멍에 설치할 수 있는 장비를 구비한다. 이러한 발전기 설치 장비에는 전력선을 해저에 설치하기 위한 해저 파이프 준설기 또는 원격 조종이 가능한 무인 잠수함도 포함될 수 있다.
본 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템(100)은 드릴 쉽(1800)을 이용하여 일정한 속도 이상의 해류가 흐르는 심해에 해류 발전기를 여러 개 설치할 수 있으며, 해저 파이프에 의해 보호되는 전력선을 통하여 육상의 발전소, 송전탑, 변전소와 연결되거나, 직접적으로 전력이 필요한 시설 및 전기 선박에 연결될 수도 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 심해저 해류 발전 시스템(100)은 평균 해류 속도 2.0m/s가 형성되는 수심 1,000m 내지 4,000m의 심해저에 설치되므로, 해류의 속도 변화가 크지 않아, 높은 효율의 전력 생산이 가능하다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 '포함하다', '구성하다' 또는 '가지다' 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 해저
2: 수면
100: 심해저 해류 발전 시스템
1000: 심해저 해류 발전기
1100: 계류부
1200: 발전기
1300: 프로펠러
1400: 제1라인
1500: 제2라인
1600: 부유체
1700: 정션 박스
1800: 드릴 쉽
1900: 전기 선박

Claims (5)

  1. 해저에 일정한 깊이를 파고 들어가 고정되는 계류부;
    변속기가 장착되고 해류의 흐름을 이용하여 전력을 생산하는 발전기;
    상기 발전기의 일측에서 상기 발전기의 구동축에 연결되는 프로펠러;
    일단은 상기 발전기와 연결되고 타단은 상기 계류부와 연결되며, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 저장소로 이송하고, 상기 발전기가 상기 계류부로부터 일정한 범위 내에 위치할 수 있도록 하는 제1라인;
    일단이 상기 제1라인의 타단과 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 저장소에 연결되고, 상기 발전기로부터 생산된 전력을 상기 저장소로 이송하는 제2라인; 및
    상기 발전기에 연결되는 적어도 2개 이상의 부유체들;을 포함하는, 심해저 해류 발전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부유체들 각각은 상기 발전기의 본체 및 상기 발전기의 구동축에 연결되는, 심해저 해류 발전기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 부유체들을 각각 상기 발전기의 본체 및 상기 발전기의 구동축에 연결하는 적어도 2개 이상의 지지 구조물들을 더 포함하는, 심해저 해류 발전기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속기는,
    해류의 변화에 따라 상기 프로펠러의 회전 속도를 변화시킬 수 있는 전자 속도 제어기(Electronics Speed Controls: ESC)인, 심해저 해류 발전기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장소 및 상기 제2라인과 전기적으로 연결되며, 상기 저장소 및 상기 제2라인 사이에 배치되어 다른 심해저 해류 발전기들과 전기적으로 연결되어 상기 다른 심해저 해류 발전기들로부터 송전된 전력들을 모두 모아 상기 저장소 또는 파워 스테이션으로 재송전 할 수 있는 적어도 1개 이상의 정션 박스(junction box)를 더 포함하는, 심해저 해류 발전기.
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