WO2013048007A2 - 고효율 다단 조류 발전기 및 복합 발전 시스템 - Google Patents

고효율 다단 조류 발전기 및 복합 발전 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a high efficiency multi-stage algae generator, and more particularly, to a high efficiency multi-stage algae generator which is installed in a column fixed in the ground to generate power using algae, the inflow duct in which the fluid is introduced to one side
  • a streamlined housing having a discharge duct discharged therein and having a shaft portion formed at an intermediate portion thereof; and an impeller installed at least one of the discharge ducts and rotating by a fluid passing through the shaft portion; It relates to a high efficiency multi-stage algae generator, characterized in that the power generation efficiency is improved by increasing the flow rate.
  • the present invention relates to a combined wind and tidal power generation system, and more particularly, in the wind and tidal power generation system for generating electric power from tidal power aberration and wind turbine blades installed in the tower pillar, the inside of the tower pillar A storage unit configured to store compressed air; and a compressor configured to compress and store air by using the power generated from the aberration and the blade in the storage unit; and power generation using the compressed air stored in the storage unit. It includes a generator; including a wind and tidal power generation system that can reduce the construction cost by storing the compressed air inside the tower pillar even if no separate storage equipment is installed.
  • power generation methods include thermal power, hydro, nuclear, solar, wind, tidal, and tidal power generation.
  • the tidal power generation generates electricity from the kinetic energy of the seawater by installing turbines and generators at high tidal flow rate, and uses natural tidal flow as it is. It is distinguished from tidal power generating electricity.
  • the algae power generation device does not obtain a large force because only the water flow on the surface of the sea water is used, and there is a problem in that the power resistance efficiency is low because the effective resistance surface of the propeller 1120 hitting the algae flow is relatively small. .
  • wind power is a power generation method that generates electric energy through a generator while the blade rotates by natural wind speed.It is very effective as a low-carbon clean energy source, and it is installed in an area where the average annual wind speed is high.
  • the wind generated by the pressure difference is not always blowing constantly, there is a disadvantage in that the energy yield is irregular.
  • the wind and tidal power generation described above has a disadvantage in that a constant constant power generation is difficult due to irregularities of energy sources.
  • CAES Compressed Air Energy Storage
  • an object of the present invention is to solve such a conventional problem, a high-efficiency multi-stage that can improve the power generation efficiency by increasing the flow rate of the algae flowing into the aberration for aquatic power generation provided with a guide vane inside the streamlined housing To provide a tidal current generator.
  • the inlet duct for the fluid is introduced into one side and the discharge duct is discharged to the fluid is formed on the other side
  • a high efficiency multi-stage algae generator comprising a streamlined housing formed in the shaft tube portion; and an impeller installed in the at least one discharge duct and rotated by the fluid passing through the shaft tube portion.
  • At least one guide vane installed in the inlet duct to increase the flow rate of the fluid supply to the shaft tube.
  • the outer peripheral surface of the pillar is installed to be rotatable in the horizontal direction, a plurality of the housing is installed in the radial direction, it is preferable to include a direction changing unit is installed at least one in the vertical direction to the pillar.
  • the housing is preferably rotated by the direction change unit so as to be perpendicular to the direction of the bird by the thrust generated from the impeller installed in the discharge duct.
  • the redirection unit it is preferable to rotate the redirection unit so that the wing-shaped guide feather is formed in the vertical direction on one side of the redirection unit so that the housing is perpendicular to the current direction.
  • the wing-shaped guide feather is formed in the vertical direction on the outer circumferential surface of the housing so that the housing is perpendicular to the current direction by rotating the direction changing section.
  • the direction change part accommodates the fluid therein, and the buoyancy is changed according to the amount of the contained fluid so that the lifting is possible in the water.
  • a stopper for limiting the lifting height of the turning part is provided on the outer circumferential surface of the pillar.
  • the compressed air is formed inside the tower pillar to store the compressed air A storage unit; and a compressor configured to compress and store air by using the power generated from the aberration and the blade in the storage unit; and a generator that generates power using the compressed air stored in the storage unit. It is preferable to set it as.
  • the tower column is formed of a structure having an outer wall provided with a material having a corrosion resistance, and an inner wall provided with a material capable of maintaining stability at high temperature and high pressure, it is preferable that the concrete is filled between the outer wall and the inner wall.
  • a shear connector is formed between the outer wall and the inner wall to support the load transmitted to the tower column and reinforce the coupling force between the outer wall and the inner wall.
  • one end of the tower pillar is preferably embedded in the ground so that the step is formed so that the inner wall is longer than the outer wall protrudes.
  • a high efficiency multi-stage algae generator with improved power generation efficiency by increasing the flow rate of the algae flowing into the aberration for aquatic power generation provided with a guide vane inside the wired housing.
  • the direction changing unit it is possible to automatically change the direction of the tide for generating birds according to the flow of the tidal flow by the direction changing unit, and the high-efficiency multi-stage algae generator capable of controlling the power generation depth due to the lifting action by buoyancy and easy maintenance.
  • FIG. 2 is a perspective view of the present invention high efficiency multi-stage algae generator
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the present invention high efficiency multi-stage algae generator aberration
  • FIG. 4 is a perspective view of the present invention high efficiency multi-stage algae generator guide feather
  • FIG. 5 is a perspective view of the present invention high efficiency multi-stage algae generator guide feather
  • FIG. 6 is a front view of a monopile structure of the present invention high efficiency multi-stage algae generator
  • FIG. 7 is a front view of a pier structure of the present invention high efficiency multi-stage algae generator
  • FIG. 8 is a perspective view showing a wind and tide combined generator
  • FIG. 9 is a longitudinal cross-sectional view of the tower pillar of the present invention wind and tide combined cycle power generation system
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a tower column of the present invention wind and tidal power generation system
  • FIG. 11 is a flow chart of power generation of the present invention wind and tidal power generation system
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the tower column pillar of the present invention wind and tidal power generation system
  • Figure 13 is a cross-sectional view of the gravity tower column of the present invention wind and tidal power generation system.
  • Figure 2 is a perspective view of the high efficiency multi-stage algae generator of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the high efficiency multi-stage algae generator aberration of the present invention
  • Figures 4 to 5 is a perspective view of the high efficiency multi-stage algae generator guide blade of the present invention.
  • the high efficiency multi-stage tidal current generator includes a pillar 110, an aberration 120 for generating electric power using a tidal current, and a redirection unit 130 for changing the direction of the aberration 120.
  • the pillar 110 is a cylindrical member whose one end is buried at the bottom of the seabed and the other end is exposed to the sea surface.
  • the stopper 111 restricts the lifting height of the turning unit 130 described later on the outer circumferential surface. Is spaced apart from the upper and lower portions of the turning unit 130.
  • the stopper 111 is installed on the upper and lower portions of each of the two turning parts 130 installed in the vertical direction.
  • the stopper 111 is detachable or enters the column 110 by manipulation so that the turning part 130 can rise to the surface using buoyancy during repair, but is limited to the above structure. It may be implemented in other forms rather than being.
  • the aberration 120 is a device for generating electric power by a tidal flow introduced into the housing.
  • the aberration 120 is a guide vane 125 and an impeller 127 installed and rotated inside the housing 121. ), A diffuser 126 for distributing the algae to the blades formed in the guide vanes 125, and a generator 128 for producing electric power.
  • the housing 121 is a cylindrical member having both ends opened, and a shaft tube portion 122 having a smaller diameter is formed in the middle portion thereof, so that the housing 121 has a streamlined shape. 124 is formed.
  • the guide vane 125 is a member that serves as a compressor in a jet engine used in the aviation field.
  • the guide vane 125 rotates a blade formed in a circumferential direction and flows the current introduced into the housing 121 to supply the shaft tube 122.
  • Two members are installed in the inlet duct 123 as a member.
  • the seawater is supplied to the shaft tube portion 122 in which the flow path is reduced by the guide vane 125, the fluid supplied to the shaft tube portion 122 passes through the shaft tube portion 122 and moves toward the discharge duct 124.
  • the flow rate will be faster.
  • the diffuser 126 is a member that guides the algae flowing into the center of the guide vane 125 to the outside of the center to supply algae to the outside of the blade formed in the guide vane 125 to increase the rotational force of the guide vane 125.
  • Impeller 127 is a device that rotates by the algae flow rate is increased through the shaft tube 122 and two are installed in the rear of the algae discharge and is installed with the generator 128 to rotate the kinetic energy of the impeller 127 Electric power is converted into electrical energy, stored in a storage battery (not shown), and then supplied to the outside.
  • the generator 128 may be installed in the water phase apart from the aberration 120 as well as the position described above.
  • the direction change unit 130 is a device in which a plurality of aberrations 120 are installed and rotate in a horizontal direction, and are installed so that the mounting table 131 on which the aberrations are installed is perpendicular to the direction in which the current flows.
  • Guide guide 132 to guide the.
  • the mounting table 131 is rotatably coupled to the outer circumferential surface of the pillar 110, and a streamlined frame extends in all directions around the pillar 110 so that the aberration 120 is installed at each end.
  • the accommodation space is formed therein to adjust the amount of seawater accommodated by the buoyancy can be used to elevate the entire direction change unit 130, and in multiple stages by the stopper 111 formed on the outer peripheral surface of the pillar (110). The collision between the installed aberrations 120 can be prevented.
  • a controller for controlling the lifting of the direction switching unit 130 by controlling the buoyancy by measuring the flow rate according to the water depth of the direction switching unit 130.
  • the number of stages and the installation direction of the aberration 120 is not limited by the above-described method and may be implemented in various forms so as not to affect the algae between the aberrations 120.
  • the guide feather 132 is vertically installed at the upper or lower portion of the streamlined frame end of the mounting table 131 or the outer circumferential surface of the housing 121, so that the mounting table 131 is inclined toward the tidal flow direction. It is a member which guides so that it may become perpendicular
  • the mounting table 131 is automatically rotated to be perpendicular to the algae direction by the thrust generated at the rear of the aberration 120 according to the algae direction, the vertical direction is perpendicular to the algae direction without installing the guide feather 132. Therefore, sufficient power can be obtained.
  • FIG. 6 is a view showing the monopile structure of the present invention high efficiency multi-stage algae generator
  • Figure 7 is a view showing the structure of the bridge structure of the present invention high efficiency multi-stage algae generator.
  • the high efficiency multi-stage algae generator according to the present invention as shown in the figure, a single column is installed on the seabed and the monopile structure and a plurality of columns installed on the seabed and floating on the seabed and the water column It can be applied to bridge type structures in which structures such as bridges are installed.
  • the compressed air storage device 140 on the upper plate of the floating body and the structure installed in the water phase, the electric power produced by the aberration 120 is stored in the form of compressed air, and when the power is needed, the stored compressed air is used. It is possible to produce power.
  • control unit measures the flow rate according to the depth of the bird to adjust the lifting height by adjusting the buoyancy of the mounting table 131 to position the aberration 121 in the position where the flow rate is as fast as possible, the housing 121 Alternatively, the mounting table 131 is automatically rotated so that the aberration 120 is perpendicular to the algae direction by the guide vane 132 installed in the turning unit 130.
  • Inflowing algae is supplied to the outside of the blade of the guide vane 125 installed in the inlet duct 122 by the diffuser 126 to rotate the guide vane 125, the inlet flows into the interior by the rotation of the guide vane 125
  • the algae are continuously supplied to the shaft portion 122 and compressed in the shaft portion 122 whose diameter is reduced.
  • the housing 121 Since the housing 121 has a streamlined shape that increases in diameter once it passes through the shaft tube 122 having a smaller diameter, the flow rate of the algae becomes faster and is discharged to the outside to rotate the impeller 127 and rotate the impeller ( Power is produced by a generator 128 installed with 127.
  • the algae having the maximum rapid flow rate flows into the housing 121, and the flow rate is increased in the guide vane 125 and the shaft tube 122 inside the streamlined housing, thereby improving power generation efficiency.
  • the compressed air storage device 140 in the floating body or structure installed in the water of the monopile or remnant structure, compresses and stores the power produced by using algae, When needed, compressed air can be used to produce and supply power.
  • FIG 8 is a perspective view showing the present invention wind and tide combined generator
  • Figure 9 is a longitudinal cross-sectional view of the present invention wind and tide combined cycle system tower column
  • Figure 10 is a cross-sectional view of the tower pillar of the present invention wind and tide combined cycle power generation system. to be.
  • the combined wind and tidal power generation system is a tower pillar 230 and wind turbine generator 210 and tidal power generator 220 is installed, the storage is installed inside the tower pillar 230 to store the compressed air
  • the unit 240, a compressor 250 for compressing air, and a generator 260 for generating power using compressed air is installed inside the tower pillar 230 to store the compressed air.
  • the tower pillar 230 has a cylindrical shape, and a wind power generator 210 is installed at an upper end of which is exposed to a water phase, and an tidal power generator 220 is installed in water.
  • the tower column 230 is a monopile structure having an outer wall 231 and an inner wall 232, and the outer wall 231 is formed of a material having corrosion resistance to prevent corrosion by seawater.
  • the fiber reinforced plastic Fiber reinforced polymer, FPR
  • the inner wall 232 is installed with a metal material that can maintain the safety at high temperature and high pressure, in this embodiment is installed as a steel pipe.
  • a plurality of shear thermal binders 233 connecting the outer wall 231 and the inner wall 232 are installed between the outer wall 231 and the inner wall 232, and the concrete is filled to support the load caused by wind and algae.
  • the tower column 230 may function as a storage unit 240 capable of storing compressed air.
  • the tower pillar 230 can be used as the storage unit 240 without a separate storage facility, cost reduction and the size of the entire power generation device can be reduced.
  • the shear thermal binder 233 reinforces the bonding force of the outer wall 231 and the inner wall 232 to reinforce the bonding force of the aforementioned fiber-reinforced plastic and steel pipe and concrete.
  • the tower column 230 can be installed not only in the above-described structure, but also in the internally confined hollow reinforced concrete column (ICH RC) structure and the like, and using the internally confined hollow reinforced concrete structure and fiber-reinforced plastic. Synthetic structures are also possible.
  • the inner wall 232 is formed to protrude downwardly from the outer wall 231, so that the concrete is not broken when the tower pillar 230 is drilled in the rock layer on the bottom of the sea floor to prevent the concrete from being broken.
  • Silver is installed on the rock floor of the bottom of the seabed, the outer wall 231 is installed on the ground layer can be fixed to the tower pillar 230 is firmly.
  • the storage unit 240 is installed in a space formed inside the inner wall 232 to store compressed air, and is installed to withstand high temperature and high pressure as described above.
  • the compressor 250 compresses air using the power generated from the wind power generator 210 and the tidal power generator 220 and supplies the compressed air to the storage unit 240.
  • the generator 260 generates electric power by rotating the turbine with compressed air stored in the storage unit 240.
  • 12 and 13 are cross-sectional views showing the gravity structure and the bridge structure.
  • wind and tidal power generation system is a gravity-type structure that is installed on the tower pillar 230 to the lower structure fixed to the rock and structures such as bridges on a plurality of tower pillars It is also applicable to the bridge structure that is installed.
  • FIG. 11 is a flow chart of power generation of the present invention wind and tidal power generation system.
  • the electric power produced from the wind power generator 210 and the tidal power generator 220 installed in the tower pillar 30 is supplied to the compressor 250, and the compressor 250 compresses external air to store the storage 240. Are stored.
  • the compressed air at high pressure is stably stored by the storage unit 240 inside the inner wall 232 of the tower column 230 provided with a material capable of withstanding high temperature and high pressure.
  • the stored compressed air then generates power using generator 260.
  • the wind power or tidal energy which is changed frequently, may be stored and supplied to the storage unit 240 to produce and supply constant output power.
  • a high efficiency multi-stage algae generator that can improve the power generation efficiency by increasing the flow rate of the algae flows into the aberration for the algae power generation is installed inside the streamlined housing.
  • Wind and tidal combined power generation systems are provided that can reduce construction costs.

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Abstract

본 발명은 조류 발전기에 관한 것으로서, 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 조류발전기에 있어서, 일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징과, 상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 관한 것으로서, 구조물에 설치된 풍력 및 조류 발전으로부터 전력을 생산하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 있어서, 상기 구조물은 내부에 수용공간이 형성되어 압축공기를 저장하는 저장부를 포함하는 압축용기로써, 상기 저장부에 풍력 및 조류 발전으로부터 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하여 저장하고, 압축된 공기로 터빈을 회전시켜 발전하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 다단 조류 발전기 및 복합 발전 시스템
본 발명은 고효율 다단 조류 발전기에 관한 것으로, 좀더 자세하게는, 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 고효율 다단 조류 발전기에 관한 것으로서, 일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징;과, 상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러;를 포함하여 하우징 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가킴으로써 발전 효율이 향상된 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 관한 것으로, 좀더 자세하게는, 타워기둥에 설치된 조력 발전용 수차 및 풍력 발전용 블레이드로부터 전력을 생산하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 있어서, 상기 타워기둥 내부에 형성되어 압축공기를 저장하는 저장부;와, 상기 저장부에 상기 수차 및 상기 블레이드로부터 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하여 저장하는 압축기;와, 상기 저장부에 저장된 압축 공기를 이용하여 발전하는 발전기;를 포함하여 별도의 저장 설비가 설치되지 않아도 압축 공기를 타워기둥 내부에 저장함으로써 건설 비용 절감이 가능한 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전력의 생산 방법은 화력, 수력, 원자력, 태양열, 풍력, 조력, 조류 발전등이 있다.
화력, 수력 및 원자력 발전은 연료 매장량의 한계, 환경 오염 및 방사능 위험성 때문에 최근 이를 대체하기 위하여 태양열, 풍력, 조력 및 조류 발전 등의 자연의 청정에너지를 이용한 발전 방법이 다양하게 연구되고 있다.
조류 발전은 조류 유속이 빠른 곳에 터빈과 발전기를 설치하여 해수의 운동에너지로부터 전기를 생산하며, 자연적인 조류 흐름을 그대로 이용한다는 점에서, 조력댐에 바닷물을 가뒀다가 흘려보내면서 낙차를 이용해 터빈을 돌려 전기를 만드는 조력발전과 구분된다.
따라서, 저수지를 확보하기 위해 댐을 막을 필요가 없고, 선박의 항해 자유로우며 어류의 이동을 방해하지 않고 주변 생태계에 영향을 주지 않는 환경친화적 대체에너지 시스템이며, 청정에너지 중의 하나로서 국내의 지형적 여건상 매우 유망한 에너지 자원으로 고려되고 있다.
일반적으로 조류 발전 장치의 기본 구조는 공개 특허 제10-2003-0024225호에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 해저면에 고정하는 지주(1110)와, 상기 지주에 설치되어 해수의 흐름에 의해 회전되는 프로펠러(1120)와, 상기 프로펠러(1120)와 축 결합되어 프로펠러(1110)의 회전운동을 전기 에너지로 변환하는 발전기(미도시)로 이루어진다.
하지만, 종래 기술에 따른 조류 발전 장치는 해수 표면의 물 흐름만 이용하기 때문에 큰 힘을 얻지 못하고, 조류 흐름에 부딪히는 프로펠러(1120)의 유효저항면이 상대적으로 적어 전력 생산 효율이 낮다는 문제점이 있다.
또한, 발전기(미도시) 및 프로펠러(1120)가 고정된 구조를 갖기 때문에 해수의 흐름 방향이 바뀌게 되면 프로펠러(1120)의 회전이 불규칙하여 전기의 생산이 불안정하게 되고 고장으로 인한 유지보수를 하기가 어려운 문제점이 있다.
또한, 풍력발전은 블레이드가 자연 풍속에 의해 회전하면서 발전기를 통해 전기 에너지를 생성하는 발전 방식으로서, 저탄소 청정 에너지원으로 효과가 매우 크고, 연간 평균 풍속이 높은 지역에 설치되어 지속적으로 발전 가능한 장점이 있으나, 기압차에 의해 발생하는 바람은 항상 일정하게 부는 것이 아니기 때문에 에너지 생산량이 불규칙적인 단점이 있다.
상술한 풍력 및 조류 발전은 특성상 에너지원의 불규칙성으로 인해 일정한 정출력 발전이 어려운 단점이 있다.
한편, 압축 공기 저장 장치(Compressed Air Energy Storage, CAES)는 생산된 전기로 모터를 구동하여 지하나 별도의 설비에 공기를 압축하여 에너지를 저장하고, 전력이 필요할 경우 압축된 공기의 배출을 통해 터빈을 돌려 다시 발전하는 시스템으로서, 전력 공급을 일정하게 유지하기 위해서 사용된다.
그러나, 이러한 압축 공기 저장 장치는 압축 공기를 저장하기 위한 별도의 설비가 설치되어야 하고, 그로 인해 발전 시스템의 전체 크기가 커지게 되며 저장 용기 설치를 위한 비용이 추가로 발생하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유선형의 하우징 내부에 가이드베인이 설치된 조류발전용 수차 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상할 수 있는 고효율 다단 조류 발전기를 제공함에 있다.
또한, 하나의 구조물에 다수개의 조류발전용 수차를 설치하여 발전효율을 향상할 수 있으며 설치 비용을 절감할 수 있는 고효율 다단 조류 발전기를 제공함에 있다.
또한, 방향전환부에 의하여 조류 흐름에 따라 조류발전용 수차의 자동 방향 전환이 가능하고, 부력에 의한 승강 작용이 가능한 고효율 다단 조류 발전기를 제공함에 있다.
또한, 조류 및 풍력 발전기의 타워기둥 내부에 형성된 저장부에 생산된 전력을 압축 공기의 형태로 저장하고, 전력이 필요한 경우 압축 공기를 이용하여 발전함으로써 별도의 저장 설비 없이 압축 공기를 타워기둥 내부에 저장하여 건설 비용 절감이 가능한 풍력 및 조류 복합 발전 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 조류발전기에 있어서, 일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징;과, 상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기에 의해 달성된다.
또한, 상기 유입덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 유체의 유속을 증가시켜 상기 축관부로 공급하는 가이드베인을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기둥의 외주면에 수평방향으로 회전 가능하도록 설치되고 반경 방향으로 상기 하우징이 복수개 설치되며, 상기 기둥에 수직방향으로 적어도 하나 이상 설치되는 방향전환부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하우징은 상기 배출덕트에 설치된 상기 임펠러에서 발생하는 추력에 의하여 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부가 회전하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방향전환부의 일측에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부를 회전시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하우징의 외주면에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 방향전환부를 회전시킴으로써 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방향전환부는 내부에 유체를 수용하고, 수용된 유체의 양에 따라 부력이 변화함으로써 수중 내에서 승강이 가능한 것이 바람직하다.
또한, 상기 방향전환부의 승강 높낮이를 제한하는 스토퍼가 상기 기둥의 외주면에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 타워기둥에 설치된 조력 발전용 수차 및 풍력 발전용 블레이드로부터 전력을 생산하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 있어서, 상기 타워기둥 내부에 형성되어 압축공기를 저장하는 저장부;와, 상기 저장부에 상기 수차 및 상기 블레이드로부터 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하여 저장하는 압축기;와, 상기 저장부에 저장된 압축 공기를 이용하여 발전하는 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 타워기둥은 내식성을 갖는 재질로 마련되는 외벽과, 고온 고압에서 안정성을 유지할 수 있는 재질로 마련되는 내벽을 갖는 구조로 형성되며, 상기 외벽과 상기 내벽 사이에 콘크리트가 충진되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 외벽과 상기 내벽 사이에 전단연결재가 형성되어 상기 타워기둥에 전달되는 하중을 지지하고 상기 외벽과 내벽의 결합력을 보강하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 타워기둥은 지중에 매설되는 일단이 상기 내벽이 상기 외벽보다 길도록 단차가 형성되어 돌출되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면,유선형의 하우징 내부에 가이드베인이 설치된 조류발전용 수차 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상된 고효율 다단 조류 발전기가 제공된다.
또한, 하나의 구조물에 다수개의 조류발전용 수차를 설치하여 발전효율을 향상할 수 있으며 설치 비용을 절감할 수 있는 고효율 다단 조류 발전기가 제공된다.
또한, 방향전환부에 의하여 조류 흐름에 따라 조류발전용 수차의 자동 방향 전환이 가능하고, 부력에 의한 승강 작용으로 인해 발전 수심 조절이 가능하고 유지 보수가 용이한 고효율 다단 조류 발전기가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 조류 및 풍력 발전기의 타워기둥에 내부에 형성된 저장부에 생산된 전력을 압축 공기의 형태로 저장하고, 전력이 필요한 경우 압축 공기를 이용하여 발전함으로써 별도의 저장 설비 없이 압축 공기를 타워기둥 내부에 저장하여 건설 비용 절감이 가능한 풍력 및 조류 복합 발전 시스템이 제공된다.
또한, 저장부에 저장된 압축공기를 이용하여 발전함으로써 안정된 전력 공급이 가능한 풍력 및 조류 복합 발전 시스템이 제공된다.
도 1은 종래의 조류 발전 장치의 일례이고,
도 2는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 사시도이고,
도 3은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 수차의 단면도이고,
도 4는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 안내깃의 사시도이고,
도 5는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 안내깃의 사시도이고,
도 6은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 모노파일 구조 정면도이고,
도 7은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 잔교식 구조 정면도이고,
도 8은 풍력 및 조류 복합 발전기를 도시한 사시도이고,
도 9는 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템 타워기둥의 종단면도이고,
도 10은 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템의 타워기둥의 횡단면도이고,
도 11은 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템의 전력 생산 흐름도이고,
도 12는 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템의 잔교식 타워기둥의 단면도이고,
도 13은 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템의 중력식 타워기둥의 단면도이다.
설명에 앞서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일실시예에서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 다단 조류 발전기에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 사시도이고, 도 3은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 수차의 단면도이고, 도 4 내지 도 5는 본 발명 고효율 다단 조류 발전기 안내깃의 사시도이다.
본 발명에 따른 고효율 다단 조류 발전기는 기둥(110)과, 조류를 이용하여 전력을 생산하는 수차(120)와, 수차(120)의 방향을 전환하는 방향전환부(130)를 포함하여 구성된다.
도 2를 참조하면, 기둥(110)은 일단이 해저 바닥에 매설되고 타단은 해수면 위로 노출되는 원통 형상의 부재로서, 외주면에 후술하는 방향전환부(130)의 승강 높낮이를 제한하는 스토퍼(111)가 방향전환부(130)의 상부와 하부에 이격되어 형성된다.
본 실시예에서 스토퍼(111)는 수직 방향으로 설치된 두 개의 방향전환부(130) 각각의 상부와 하부에 설치된다.
한편, 스토퍼(111)는 탈착 가능하거나 조작에 의하여 기둥(110) 내부로 들어감으로써 방향전환부(130)가 보수시에 부력을 이용하여 수면으로 떠오를 수 있도록 하는 것이 바람직하나, 상기의 구조에 제한되는 것은 아니고 다른 형태로 실시될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 수차(120)는 내부로 유입되는 조류에 의하여 전력을 생산하는 장치로써, 하우징(121)과, 하우징(121) 내부에 설치되어 회전하는 가이드베인(125) 및 임펠러(127)와, 조류를 가이드베인(125)에 형성된 블레이드로 분산시키는 디퓨저(126)와, 전력을 생산하는 발전기(128)를 포함한다.
하우징(121)은 양단부가 개구된 원통형상의 부재로써 중간부에 직경이 작아지는 축관부(122)가 형성되어 유선형의 형상이며, 양단부에는 조류가 유입되고 배출되는 유입덕트(123)과 배출덕트(124)가 형성된다.
가이드베인(125)은 항공분야에서 사용되는 제트엔진에서 압축기의 역할을 하는 부재로써, 원주방향으로 형성된 날이 회전하여 유입된 조류를 하우징(121) 내부로 유입하여 축관부(122)로 공급하는 부재로써 유입덕트(123)에 두 개가 설치된다.
따라서, 해수는 가이드베인(125)에 의하여 유로가 작아지는 축관부(122)로 계공 공급되므로, 축관부(122)로 공급된 유체가 축관부(122)를 지나 배출덕트(124) 방향으로 진행하면서 유속이 빨라지게 된다.
디퓨저(126)은 가이드베인(125)의 중심부로 유입되는 조류를 중심부 외부로 안내하여 가이드베인(125)에 형성된 블레이드의 바깥쪽으로 조류를 공급하여 가이드베인(125)의 회전력을 높이는 부재이다.
임펠러(127)는 축관부(122)를 통과하여 유속이 상승된 조류에 의하여 회전하는 장치이며 조류가 배출되는 후미에 두 개가 설치되며 발전기(128)와 함께 설치되어 임펠러(127)의 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하여 축전지(미도시)에 저장된 후 외부로 공급된다.
한편, 발전기(128)는 앞서 설명한 위치뿐만 아니라 수차(120)와 떨어져서 수상에 설치되는 것 역시 가능하다.
도 4를 참조하면, 방향전환부(130)는 복수개의 수차(120)가 설치되고 수평방향으로 회전하는 장치로서, 수차가 설치되는 설치대(131)와, 조류가 흐르는 방향에 대하여 수직이 되도록 회전을 안내하는 안내깃(132)을 포함한다.
설치대(131)는 기둥(110)의 외주면에 회전 가능하도록 결합되고, 기둥(110)을 중심으로 유선형의 프레임이 사방으로 연장 형성되어 각각의 단부에 수차(120)가 설치된다.
또한, 내부에 수용공간이 형성되어 수용되는 해수의 양을 조절함으로써 부력을 이용하여 방향전환부(130) 전체를 승강할 수 있으며, 기둥(110)의 외주면에 형성된 스토퍼(111)에 의하여 다단으로 설치되는 수차(120)간의 충돌을 방지할 수 있다.
또한, 방향전환부(130)의 수심에 따른 유속을 측정하여 부력을 제어함으로써 방향전환부(130)의 승강을 제어하는 제어부(미도시)를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 수차(120)의 설치 단수 및 설치 방향은 상술한 방법에 의하여 제한되는 것은 아니고 수차(120)간 조류의 영향을 주지 않도록 하여 다양한 형태로 실시될 수 있다.
도 4를 내지 도 5를 참조하면, 안내깃(132)은 설치대(131)의 유선형의 프레임 단부 또는 하우징(121)의 외주면의 상부 또는 하부에 수직으로 설치됨으로써 설치대(131)가 조류속 유향에 대하여 수직이 되도록 안내하는 부재이다.
또한, 조류의 유향에 따라 수차(120) 후미에서 발생하는 추력에 의하여 설치대(131)가 조류 유향에 대하여 수직이 되도록 자동으로 회전하게 되므로, 안내깃(132)을 설치하지 않아도 조류 유향에 수직이 되므로 충분한 동력을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 모노파일 구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명 고효율 다단 조류 발전기의 잔교식 구조를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 고효율 다단 조류 발전기는 도면에 도시된 바와 같이, 단일 기둥이 해저에 설치되고 수상에 부유체가 설치된 모노파일 구조와 다수의 기둥을 해저에 설치하고 수상에 교량 등의 구조물이 설치된 잔교식 구조에 적용될 수 있다.
따라서, 수상에 설치된 부유체 및 구조물의 상판에 압축공기 저장장치(140)를 설치함으로써, 수차(120)에 의하여 생산된 전력을 압축공기의 형태로 저장하고, 전력이 필요한 경우 저장된 압축공기를 이용하여 전력을 생산하는 것이 가능하다.
지금부터는 상술한 고효율 다단 조류 발전기의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 제어부(미도시)가 조류의 수심에 따른 유속을 측정하여 설치대(131)의 부력을 조절하여 승강 높낮이를 조절하여 수차(121)를 최대한 유속이 빠른 위치에 위치시킨 후, 하우징(121) 또는 방향전환부(130)에 설치된 안내깃(132)에 의하여 수차(120)이 조류 유향에 대하여 수직이 되도록 설치대(131)가 자동으로 회전한다.
유입되는 조류는 디퓨저(126)에 의하여 유입덕트(122)에 설치된 가이드베인(125)의 블레이드의 바깥쪽에 공급되어 가이드베인(125)를 회전시키고, 가이드베인(125)의 회전에 의하여 내부로 유입된 조류는 축관부(122)로 계속하여 공급되며, 직경이 작아지는 축관부(122)에서 압축된다.
하우징(121)은 직경이 작아지는 축관부(122)를 통과하면 다시 직경이 커지게 되는 유선형 형상이므로 조류의 유속은 빨라지게 되고 외부로 배출되면서 임펠러(127)을 회전시키게 되고, 회전하는 임펠러(127)와 함께 설치된 발전기(128)에 의하여 전력이 생산된다.
상술한 바에 의하여 최대한의 빠른 유속을 갖는 조류가 하우징(121) 내부로 유입되고, 또한 유선형의 하우징 내부의 가이드베인(125)과 축관부(122)에 유속이 빨라지게 되므로 발전 효율이 향상된다.
또한, 앞서 서술한 바와 같이 모노파일 또는 잔교식 구조의 수상에 설치되는 부유체 또는 구조물에 압축공기 저장장치(140)를 설치하여, 조류를 이용하여 생산된 전력을 압축하여 저장하고, 전력 공급이 필요시에 압축된 공기를 이용하여 전력을 생산하여 공급할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전기를 도시한 사시도이고, 도 9는 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템 타워기둥의 종단면도이고, 도 10은 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템의 타워기둥의 횡단면도이다.
본 발명에 따른 풍력 및 조류 복합 발전 시스템은 풍력발전 장치(210) 및 조력발전 장치(220)가 설치되는 타워기둥(230)과, 상기 타워기둥(230) 내부에 설치되어 압축 공기를 저장하는 저장부(240)와, 공기를 압축하는 압축기(250)와, 압축공기를 이용하여 발전하는 발전기(260)를 포함한다.
도 8을 참조하면, 타워기둥(230)은 원통 형상으로써 수상으로 노출되는 상단에 풍력발전 장치(210)가 설치되고 수중에는 조력발전 장치(220)가 설치된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 타워기둥(230)은 외벽(231)과 내벽(232)을 갖는 모노파일식 구조이며, 외벽(231)은 해수에 의한 부식을 방지하도록 내식성을 갖는 재질로 형성되며 본 실시예에서는 섬유강화플라스틱(Fiber reinforced polymer, FPR)로 설치되고, 내벽(232)은 고온 고압에서 안전성을 유지할 수 있는 금속 재질로 설치되며, 본 실시예에서는 강관으로 설치된다.
또한, 외벽(231)과 내벽(232) 사이에는 외벽(231)과 내벽(232)을 연결하는 다수의 전단열결재(233)가 설치되고 콘크리트가 충진되어 바람 및 조류에 의한 하중을 지지한다.
종래의 풍력 및 조력 복합발전 장치는 내부에 해수를 채워 발전장치가 부력에 의한 영향을 받는 것을 방지하여, 기둥의 내부 공간을 이용할 수 없었다.
그러나, 본 실시예에서는 콘크리트를 채워 외벽(231)과 내벽(232)의 결합력을 보강하고, 콘크리트의 하중으로 인해 부력에 의한 발전장치의 부유를 방지함으로써 내부에 수용공간을 마련될 수 있고, 따라서 타워기둥(230)을 압축공기를 저장할 수 있는 저장부(240)로서 기능을 할 수 있다.
따라서, 별도의 저장 설비 없이도 타워기둥(230)을 저장부(240)로 사용이 가능하므로 비용 절감 및 발전 장치 전체의 크기를 소형화할 수 있다.
또한, 타워기둥(230)을 안정적으로 지지하기 위하여 상술한 섬유강화플라스틱 및 강관과 콘크리트의 결합력을 보강하기 위하여 전단열결재(233)가 외벽(231)과 내벽(232)의 결합력을 강화한다.
한편, 타워기둥(230)은 상술한 구조뿐만 아니라, 내부 구속 중공 철근콘크리트(Internally Confined Hollow Reinforced Concrete Column, ICH RC)구조 등으로 설치가 가능하며, 내부 구속 중공 철근콘크리트 구조 및 섬유강화플라스틱을 이용한 합성 구조 역시 가능하다.
도 9를 참조하면, 내벽(232)은 외벽(231)보다 하방으로 돌출되도록 연장 형성되어 타워기둥(230)을 해저 바닥의 암반층에 타공하여 설치시 콘크리트가 부서지는 것을 방지함으로써, 내벽(232)은 해저 바닥의 암반층에 설치되고, 외벽(231)은 지반층에 설치되어 타워기둥(230)이 견고하게 고정될 수 있다.
저장부(240)는 내벽(232) 내부에 형성된 공간에 설치되어 압축된 공기를 저장하며, 상술한 바에 의하여 고온 고압에도 견딜 수 있도록 설치된다.
도 11을 참조하면, 압축기(250)는 풍력발전 장치(210)와 조력발전 장치(220)로부터 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하여 저장부(240)로 공급한다.
또한, 발전기(260)는 저장부(240)에 저장된 압축공기로 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다.
도 12 및 도 13은 중력식 구조 및 잔교식 구조를 나타낸 단면도이다.
한편, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템은 암반에 고정된 하부구조물에 타워기둥(230)에 설치되는 중력식 구조 및 다수의 타워기둥 상부에 교량 등의 구조물이 설치되는 잔교식 구조에도 적용이 가능하다.
지금부터는 상술한 풍력 및 조류 복합 발전 시스템의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명 풍력 및 조류 복합 발전 시스템의 전력 생산 흐름도이다.
먼저, 타워기둥(30)에 설치된 풍력발전 장치(210)와 조력발전 장치(220)로부터 생산된 전력은 압축기(250)로 공급되고, 압축기(250)는 외부의 공기를 압축하여 저장부(240)에 공급하여 저장된다.
이때, 고압으로 압축된 공기는 고온 고압에 견딜 수 있는 재질로 구비된 타워기둥(230) 내벽(232) 내부의 저장부(240)에 의하여 안정적으로 저장된다.
그 후, 저장된 압축공기는 발전기(260)를 이용하여 전력을 생산한다.
상술한 바에 의하여 수시로 변하는 풍력 또는 조력 에너지를 저장부(240)에 저장하여 공급함으로써 정출력 전력을 생산하여 공급할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
유선형의 하우징 내부에 가이드베인이 설치된 조류발전용 수차 내부로 유입되는 조류의 유속을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상할 수 있는 고효율 다단 조류 발전기가 제공된다.
조류 및 풍력 발전기의 타워기둥 내부에 형성된 저장부에 생산된 전력을 압축 공기의 형태로 저장하고, 전력이 필요한 경우 압축 공기를 이용하여 발전함으로써 별도의 저장 설비 없이 압축 공기를 타워기둥 내부에 저장하여 건설 비용 절감이 가능한 풍력 및 조류 복합 발전 시스템이 제공된다.

Claims (14)

  1. 지중에 고정된 기둥에 설치되어 조류를 이용하여 발전하는 조류발전기에 있어서,
    일측에 유체가 유입되는 유입덕트와 타측에 유체가 배출되는 배출덕트가 형성되며 중간부에 축관부가 형성된 유선형의 하우징;
    상기 배출덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 상기 축관부를 통과한 유체에 의하여 회전하는 임펠러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입덕트에 적어도 하나 이상 설치되어 유체의 유속을 증가시켜 상기 축관부로 공급하는 가이드베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기둥의 외주면에 수평방향으로 회전 가능하도록 설치되고 반경 방향으로 상기 하우징이 복수개 설치되며, 상기 기둥에 수직방향으로 적어도 하나 이상 설치되는 방향전환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 배출덕트에 설치된 상기 임펠러에서 발생하는 추력에 의하여 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부가 회전하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 방향전환부의 일측에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 상기 방향전환부를 회전시키는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하우징의 외주면에 수직방향으로 날개 형상의 안내깃이 형성되어 상기 방향전환부를 회전시킴으로써 상기 하우징이 조류 방향에 수직이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방향전환부는 내부에 유체를 수용하고, 수용된 유체의 양에 따라 부력이 변화함으로써 수중 내에서 승강이 가능한 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 방향전환부는 내부에 유체를 수용하고, 수용된 유체의 양에 따라 부력이 변화함으로써 수중 내에서 승강이 가능한 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 방향전환부의 승강 높낮이를 제한하는 스토퍼가 상기 기둥의 외주면에 설치되는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방향전환부의 승강 높낮이를 제한하는 스토퍼가 상기 기둥의 외주면에 설치되는 것을 특징으로 하는 고효율 다단 조류 발전기.
  11. 타워기둥에 설치된 조력 발전용 수차 및 풍력 발전용 블레이드로부터 전력을 생산하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템에 있어서,
    상기 타워기둥 내부에 형성되어 압축공기를 저장하는 저장부;
    상기 저장부에 상기 수차 및 상기 블레이드로부터 생산된 전력을 이용하여 공기를 압축하여 저장하는 압축기;
    상기 저장부에 저장된 압축 공기를 이용하여 발전하는 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 타워기둥은 내식성을 갖는 재질로 마련되는 외벽과, 고온 고압에서 안정성을 유지할 수 있는 재질로 마련되는 내벽을 갖는 구조로 형성되며, 상기 외벽과 상기 내벽 사이에 콘크리트가 충진되는 것을 특징으로 하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 외벽과 상기 내벽 사이에 전단연결재가 형성되어 상기 타워기둥에 전달되는 하중을 지지하고 상기 외벽과 내벽의 결합력을 보강하는 것을 특징으로 하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템.
  14. 제12항에 있어서
    상기 타워기둥은 지중에 매설되는 일단이 상기 내벽이 상기 외벽보다 길도록 단차가 형성되어 돌출되는 것을 특징으로 하는 풍력 및 조류 복합 발전 시스템.
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