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KR101840705B1 - 다중 수직축 조류발전장치 및 이를 이용한 복합발전시스템 - Google Patents

다중 수직축 조류발전장치 및 이를 이용한 복합발전시스템 Download PDF

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KR101840705B1
KR101840705B1 KR1020160173970A KR20160173970A KR101840705B1 KR 101840705 B1 KR101840705 B1 KR 101840705B1 KR 1020160173970 A KR1020160173970 A KR 1020160173970A KR 20160173970 A KR20160173970 A KR 20160173970A KR 101840705 B1 KR101840705 B1 KR 101840705B1
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KR
South Korea
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power generation
generator
moving
module
pontoon
Prior art date
Application number
KR1020160173970A
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English (en)
Inventor
이진학
박진순
이광수
Original Assignee
한국해양과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명은 조류의 흐름방향에 대하여 수직하게 위치하고, 조류의 흐름에 따라서 움직이는 운동에너지를 발전기로 전달하여 전력을 발생시키는 수직축 조류발전장치에 있어서,
조류의 흐름방향과 수직하게 설치되어 조류의 흐름에 따라 움직이는 무빙유닛을 포함하고, 상기 무빙유닛은, 바닥면에 연직한 상태로 회전가능하게 설치되는 중심축; 상기 중심축의 길이방향을 따라 설정된 거리를 이격시켜서 설치되며 조류의 흐름방향에 따라 회전하는 적어도 하나의 회전날개; 및 상기 중심축과 상기 회전날개에 각각 결합되면서 상기 중심축과 상기 회전날개를 연결시키는 연결봉을 포함하며, 상기 무빙유닛과 연결되어 상기 무빙유닛의 움직임을 통해서 발생한 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기; 및 상기 발전기에 연결되어 상기 발전기의 작동을 제어하며 상기 발전기를 통해서 변환된 전기에너지를 관리하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 수직축 조류발전장치 및 이를 이용한 복합발전시스템{MULTIPLE VERTICAL AXIS TIDAL GENERATORS AND COMBINED POWER GENERATION USING IT}
본 발명은 수직축 조류발전장치 및 이를 이용한 복합발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 요잉을 이용하여 조류의 흐름에 순응하여 조류발전을 일으키고, 또한 유속을 강화하여 발전량을 증가시키는 다중 수직축 조류발전장치 및 이를 이용한 복합발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 터빈은 크게 수력 터빈, 증기 터빈, 풍력 터빈, 가스 터빈 등으로 나뉜다.
통상적으로 터빈은 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다. 이러한 터빈은 수평축 터빈(horizontal axis turbine)과 수직축 터빈(vertical axis turbine)으로 대별되는데, 수평축을 이용하는 방식은 흐름과 회전축의 방향이 나란한 프로펠러 방식으로서 발전 효율은 비교적 높으나 유체의 흐름방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 유체의 유동세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다.
한편, 흐름과 회전축의 방향이 수직을 이루는 수직축 터빈에는 다리우스식(Darrius Rotor)과 사보니우스식(Savonius Rotor), 그리고 다리우스식을 꼬은 헬리컬식(Helical Rotor) 등이 있다. 상기 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 상기 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.
종래기술에 따른 수직형 터빈은, 유체의 흐름방향에 대하여 수직으로 위치하고, 발전기에 동력을 전달하는 중심축과, 상기 중심축의 상부에 구비되되, 다수의 상부 스포크가 방사형으로 결합된 상부허브와, 상기 중심축의 하부에 구비되되, 다수의 하부 스포크가 방사형으로 결합된 하부허브와, 일단이 상기 상부허브의 상부 스포크에 고정되고, 타단이 상기 하부허브의 하부 스포크에 고정된 다수의 블레이드로 이루어진다.
상기 수직축 터빈은 해상교량의 교각 및 충돌방지공 등과 같은 기반 시설물을 하부구조물로 이용할 때 수평축 터빈에 비하여 면적을 최대화하여 흐름을 더 많이 이용할 수 있는 장점이 있고, 또한, 수평축 터빈에 비하여 최적 주속비(블레이드 끝의 회전각속도와 풍속의 비율)(TSR, Tip Speed Ratio)가 대체로 작기 때문에 낮은 RPM 조건에서 발전이 가능하다.
수직축 터빈은 RPM으로 발전이 가능하기 때문에 해양 생태계에 미치는 영향이 수평축 터빈에 비하여 작고, 흐름 방향에 따라 회전날개(120) 면을 회전하는 요잉(Yawing)을 하는 수평축 터빈과 달리 어떤 방향의 흐름에 대해서도 발전이 가능하여 따라서 별도의 요잉 시스템을 갖출 필요가 없는 장점이 있다.
그러나, 그러나 상기 수직축 조류터빈은 수평축 터빈에 비하여 발전효율이 상대적으로 낮고, 정격유속 이상에서 피치 제어를 통한 페더링(Feathering)을 할 수 없기 때문에 정격유속 이상에서는 회전날개에 작용하는 하중이 상대적으로 높은 문제가 있다.
대한민국 등록특허번호 제10-1267853호(발명의 명칭: 수직형 터빈)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 조류의 흐름에 의한 발전효율을 높이기 위해서 모양이나 형태를 다양한 조류발전 시설의 모양을 다양화한 다중 수직축 조류발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 조류의 유속을 강화시키거나 요잉을 제어하는 기능이 구비된 다중 수직축 조류발전장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 조류발전과 풍력발전을 일체로 형성하여 복합적이며 효율적인 전기 발전이 가능한 복합발전시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 수직축 조류발전장치는, 조류의 흐름방향에 대하여 수직하게 위치하고, 조류의 흐름에 따라서 움직이는 운동에너지를 발전기로 전달하여 전력을 발생시키는 수직축 조류발전장치에 있어서, 조류의 흐름방향과 수직하게 설치되어 조류의 흐름에 따라 움직이는 무빙유닛을 포함하고, 상기 무빙유닛은, 바닥면에 연직한 상태로 회전가능하게 설치되는 중심축; 상기 중심축의 길이방향을 따라 설정된 거리를 이격시켜서 설치되며 조류의 흐름방향에 따라 회전하는 적어도 하나의 회전날개; 및 상기 중심축과 상기 회전날개에 각각 결합되면서 상기 중심축과 상기 회전날개를 연결시키는 연결봉을 포함하며, 상기 무빙유닛과 연결되어 상기 무빙유닛의 움직임을 통해서 발생한 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기; 및 상기 발전기에 연결되어 상기 발전기의 작동을 제어하며 상기 발전기를 통해서 변환된 전기에너지를 관리하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전날개는, 헬리컬이나 다리우스 형상으로 제작될 수 있다.
또한, 상기 무빙유닛은 적어도 하나 이상의 또 다른 무빙유닛과 연결되면서 하나의 무빙모듈을 이룰수 있다.
또한, 상기 무빙모듈을 구성하는 상기 무빙유닛들에 각각 설정된 비율의 증속을 발생시키기 위해서 각각의 상기 무빙유닛들에 연결되면서 설치되어 상기 컨트롤러의 제어에 의해 작동하는 반회전 발전기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무빙모듈의 상부를 연결하면서 설치되어 조류의 유속을 강화하고 부력을 제어하는 상부폰툰을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부폰툰에 대응하여 상기 무빙모듈의 하부를 연결하면서 설치되어 조류의 유속을 강화하는 하부폰툰을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부폰툰 상부의 일부분에 연직방향으로 설치되어 수동적이나 능동적으로 요제어가 가능한 적어도 하나의 가이드 핀을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부폰툰에는 상기 반회전 발전기가 탑재될 수 있다.
또한, 상기 하부폰툰의 하부에 설치되면서 해저바닥에 고정되어 해상에서 상기 무빙모듈이 놓여진 상기 하부폰툰을 지지하는 폰툰지지부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부폰툰의 일부분에 연결되고 해저바닥에 고정되어 해상에서 상기 무빙모듈이 놓여진 상기 하부폰툰의 부유시 위치를 고정시키는 폰툰계류부재를 더 포함할 수 있다.
전술한 조류발전장치를 이용하는 복합발전시스템에 있어서, 수직축 조류발전장치가 하부에 설치되고, 상부에는 바람을 이용하여 전기를 발생시키는 풍력발전장치가 설치되어 하나의 복합발전모듈을 형성할 수 있다.
또한, 상기 복합발전모듈의 하부에 설치되면서 해저바닥에 고정되어 해상에서 상기 복합발전모듈을 지지하는 모듈지지부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복합발전모듈의 일부분에 연결되고 해저바닥에 고정되어 해상에서 상기 복합발전모듈의 부유시 위치를 고정시키는 모듈계류부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다중 수직축 조류발전장치 및 이를 이용한 복합발전시스템은, 조류의 흐름에 의한 발전효율을 향상시키기 위해서 무빙유닛의 수직축 회전날개를 헬리컬이나 다리우스 형상으로 제작하여 조류발전장치에 적용할 수 있다.
또한, 무빙유닛을 다수개 조합하여 하나의 무빙모듈을 이루면서 효율을 높이고 발전용량을 향상시킬 수 있다.
또한, 무빙유닛의 상부폰툰에 가이드 핀을 설치하여 수동이나 능동적인 요제어가 가능하다.
또한, 상부에는 풍력발전장치를 설치하고 하부에는 조류발전장치를 설치하여 하나의 복합발전모듈을 형성하여 복합발전시스템을 이루면서 효율적인 전기의 발전이 가능하다.
도 1은 다중 수직축 조류발전장치의 무빙유닛을 나타낸 도면.
도 2는 상기 조류발전장치의 다리우스 방식 다엽 무빙유닛의 실시예를 나타낸 도면.
도 3은 상기 조류발전장치의 2중 무빙모듈 개념도.
도 4는 상기 조류발전장치의 4중 무빙모듈 개념도.
도 5는 상기 무빙모듈에 상기 반회전 발전기가 설치된 모습을 나타낸 도면.
도 6은 상기 무빙모듈에 상하부폰툰에 설치된 모습을 나타낸 도면.
도 7은 상기 무빙모듈의 상하부폰툰이 해저에 바닥 고정식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 상기 무빙모듈의 상하부폰툰이 해저에 부유식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면.
도 9는 상기 조류발전장치와 상기 풍력발전장치가 결합되어 하나의 복합발전모듈을 형성한 모습을 나타낸 도면.
도 10은 상기 복합발전모듈이 해저에 바닥 고정식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면.
도 11은 상기 복합발전모듈이 해저에 부유식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면.
도 12는 상기 조류발전장치의 블록도.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다.　이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.　본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.　예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다.　또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.　따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.　도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 다중 수직축 조류발전장치의 무빙유닛을 나타낸 도면이고, 도 2는 상기 조류발전장치의 다리우스 방식 다엽 무빙유닛의 실시예를 나타낸 도면이며, 도 3은 상기 조류발전장치의 2중 무빙모듈 개념도이고, 도 4는 상기 조류발전장치의 4중 무빙모듈 개념도이며, 도 5는 상기 무빙모듈에 상기 반회전 발전기가 설치된 모습을 나타낸 도면이고, 도 6은 상기 무빙모듈에 상하부폰툰에 설치된 모습을 나타낸 도면이며, 도 7은 상기 무빙모듈의 상하부폰툰이 해저에 바닥 고정식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면이고, 도 8은 상기 무빙모듈의 상하부폰툰이 해저에 부유식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면이며, 도 9는 상기 복합발전모듈이 해저에 부유식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면이고, 도 10은 상기 조류발전장치와 상기 풍력발전장치가 결합되어 하나의 복합발전모듈을 형성한 모습을 나타낸 도면이며, 도 11은 상기 복합발전모듈이 해저에 바닥 고정식으로 설치된 실시예를 나타낸 도면이고, 도 12는 상기 조류발전장치의 블록도이다.
도 1내지 도 12에 도시된 바와 같이, 조류의 흐름방향에 대하여 수직하게 위치하고, 조류의 흐름에 따라서 움직이는 운동에너지를 발전기로 전달하여 전력을 발생시키는 수직축 조류발전장치에 있어서, 본 발명은 무빙유닛(100), 발전기(200) 및 컨트롤러(300)를 포함할 수 있다.
상기 무빙유닛(100)은 조류의 흐름방향과 수직하게 설치되어 조류의 흐름에 따라 움직일 수 있다.
무빙유닛(100)은 중심축(110), 회전날개(120) 및 연결봉(130)을 포함할 수 있다.
상기 중심축(110)은 바닥면에 연직한 상태로 회전가능하게 설치될 수 있다.
상기 회전날개(120)는 적어도 하나 이상으로 구성되고 중심축(110)의 길이방향을 따라 설정된 거리를 이격시켜서 설치되며 조류의 흐름방향에 따라 회전할 수 있다.
회전날개(120)는 헬리컬이나 다리우스 형상으로 제작될 수 있다.
상기 연결봉(130)은 중심축(110)과 회전날개(120)에 각각 결합되면서 중심축(110)과 회전날개(120)를 연결시킬 수 있다.
상기 발전기(200)는 무빙유닛(100)과 연결되어 무빙유닛(100)의 움직임을 통해서 발생한 운동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
상기 컨트롤러(300)는 발전기(200)에 연결되어 발전기(200)의 작동을 제어하며 발전기(200)를 통해서 변환된 전기에너지를 관리할 수 있다.
무빙유닛(100)은 적어도 하나 이상의 또 다른 무빙유닛(100)과 연결되면서 하나의 무빙모듈(400)을 이룰수 있다.
본 발명 조류발전장치(10)는 반회전 발전기(500), 상부폰툰(510), 하부폰툰(520), 가이드 핀(530), 폰툰지지부재(540) 및 폰툰계류부재(550)를 더 포함할 수 있다.
상기 반회전 발전기(500)는 무빙모듈(400)을 구성하는 무빙유닛(100)들에 각각 설정된 비율의 증속을 발생시키기 위해서 각각의 무빙유닛(100)들에 연결되면서 설치되어 컨트롤러(300)의 제어에 의해 작동할 수 있다.
상기 상부폰툰(510)은 무빙모듈(400)의 상부를 연결하면서 설치되어 조류의 유속을 강화하고 부력을 제어할 수 있다.
상기 하부폰툰(520)은 상부폰툰(510)에 대응하여 무빙모듈(400)의 하부를 연결하면서 설치되어 조류의 유속을 강화할 수 있다.
하부폰툰(520)에는 반회전 발전기(500)가 탑재될 수 있다.
폰툰(pontoon)이란, 목재, 강철제, 철근 콘크리트제의 거룻배로 부잔교(浮棧橋)의 본체를 말하며, 갑판, 상판(床版), 측벽은 박스 라멘 구조이며, 전체적으로 강성(剛性)이 풍부하고 또한 수밀성도 충분한 것으로, 갑판 위에는 맨홀, 빌지 홀, 체인홀, 통기 구멍, 방현재(防弦材), 페어리드 등을 가지고 있다.
상기 가이드 핀(530)은 유선형으로 형성되고 적어도 하나 이상으로 구성되며 상부폰툰(510) 상부의 일부분에 연직방향으로 설치되어 수동적이나 능동적으로 요제어가 가능하다.
요(Yaw)란, 로봇, 비행체, 드론 등의 자세를 의미하는 각도는 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)로 나타내는 것으로, 비행기의 항법 장치에 필수적인 요소이며 z축 방향 회전을 의미한다.
상기 폰툰지지부재(540)는 하부폰툰(520)의 하부에 설치되면서 해저바닥에 고정되어 해상에서 무빙모듈(400)이 놓여진 하부폰툰(520)을 지지할 수 있다.
폰툰지지부재(540)는 해저의 바닥면에 픽싱되는 피어와 상기 피어와 하부폰툰(520)을 연결시키는 연결체 등으로 구성되어 각각의 부재를 나사나 앵커볼트 등을 이용하거나 용접시키면서 결합시킬 수 있다.
상기 폰툰계류부재(550)는 하부폰툰(520)의 일부분에 연결되고 해저바닥에 고정되어 해상에서 무빙모듈(400)이 놓여진 하부폰툰(520)의 부유시 위치를 고정시킬 수 있다.
폰툰계류부재(550)는 하부폰툰(520)의 일부분에 연결되는 적어도 하나의 계류선과 상기 계류선이 연결되어 계류선을 해저면의 바닥에 고정시키는 앵커볼트 등으로 구성될 수 있다.
전술한 다중 수직축 조류발전장치를 이용한 복합발전시스템에 있어서, 수직축 조류발전장치(10)가 하부에 설치되고, 상부에는 바람을 이용하여 전기를 발생시키는 풍력발전장치(70)가 설치되어 하나의 복합발전모듈(600)을 형성하여 전기에너지를 발생시킬 수 있다.
상기 복합발전시스템은 모듈지지부재(610) 및 모듈계류부재(620)를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈지지부재(610)는 복합발전모듈(600)의 하부에 설치되면서 해저바닥에 고정되어 해상에서 복합발전모듈(600)을 지지할 수 있다.
모듈지지부재(610)는 해저의 바닥면에 픽싱되는 피어와 상기 피어와 복합발전모듈(600)을 연결시키는 연결체 등으로 구성되어 각각의 부재를 나사나 앵커볼트 등을 이용하거나 용접시키면서 결합시킬 수 있다.
상기 모듈계류부재(620)는 복합발전모듈(600)의 일부분에 연결되고 해저바닥에 고정되어 해상에서 복합발전모듈(600)의 부유시 위치를 고정시킬 수 있다.
모듈계류부재(620)는 복합발전모듈(600)의 일부분에 연결되는 적어도 하나의 계류선과 상기 계류선이 연결되어 계류선을 해저면의 바닥에 고정시키는 앵커볼트 등으로 구성될 수 있다.
본 발명 다중 수직축 조류발전장치 및 이를 이용한 복합발전시스템에 있어서, 수직축 회전날개(120)가 구비된 터빈은 해상교량의 교각 및 충돌방지공 등과 같은 기반 시설물을 하부구조물로 이용할 때 수평축 터빈에 비하여 면적을 최대화하여 흐름을 더 많이 이용할 수 있는 장점이 있고, 또한, 수평축 터빈에 비하여 최적 주속비(블레이드 끝의 회전각속도와 풍속의 비율)(TSR, Tip Speed Ratio)가 대체로 작기 때문에 낮은 RPM 조건에서 발전이 가능하다.
수직축 터빈은 낮은 RPM으로 발전이 가능하기 때문에 해양 생태계에 미치는 영향이 수평축 터빈에 비하여 작고, 흐름 방향에 따라 회전날개(120) 면을 회전하는 요잉(Yawing)을 하는 수평축 터빈과 달리 어떤 방향의 흐름에 대해서도 발전이 가능하여 따라서 별도의 요잉 시스템을 갖출 필요가 없는 장점이 있다.
그러나, 이러한 수직축 조류터빈이 가지는 많은 장점과 함께 단점도 있는데 우선 수직축 터빈의 경우 수평축 터빈에 비하여 발전효율이 상대적으로 낮고, 정격유속 이상에서 피치 제어를 통한 페더링(Feathering)을 할 수 없기 때문에 정격유속 이상에서는 회전날개에 작용하는 하중이 상대적으로 높다.
두 번째 단점인 피치제어의 어려움과 관련하여 수직축 터빈의 경우에도 컨트롤러(300)를 통해 발전기(200)에서 터빈의 회전속도와 토크를 제어하여 정격출력 이상에서도 일정한 출력이 나오도록 제어할 수 있고, 특히 풍력터빈과 달리 조류터빈의 경우 터빈을 보호하기 위하여 발전을 중지하는 cut-out 유속에 비하여 50년 혹은 100년 빈도의 설계유속이 큰 차이가 없기 때문에 페더링을 하지 않더라도 하중이 크게 증가하지 않는 특징이 있다.
예를 들어, 풍력터빈의 경우 cut-out 풍속이 대체로 24m/s 정도이며, 극한설계풍속은 50-70m/s에 이르는 경우가 대부분이지만, 조류터빈의 경우 cut-out 유속이 4m/s 정도라면 극한설계유속도 4-4.5m/s 정도로 풍속과는 그 경향이 다르다. 이러한 조류터빈의 특성으로 실제 상용화 시험에 있는 여러 수평축 조류터빈 중에서도 피치제어를 하지 않는 터빈이 다수 있는 상황이다.
수직축 터빈의 첫 번째 단점인 수평축 터빈에 비하여 상대적으로 낮은 발전효율과 관련하여 이를 해결할 수 있는 방법으로 수직축 터빈을 이중으로 배치하는 이중 터빈(Double Turbines)기술이 있다.
즉, 터빈을 이중으로 배치하는 경우, 각 터빈의 회전방향에 따라 개별 터빈 2개에 대한 발전량보다 감소할 수도, 동일할 수도, 또한 증가할 수도 있는데, 2개 터빈이 동일한 방향으로 회전하는 경우보다는 2개의 터빈이 서로 반대방향으로 회전하도록 하는 것이 효율을 높일 수 있고, 이 경우에도 2개 터빈의 회전에 의한 유량이 2개 터빈 사이로 흐르도록 유도하는 방식의 효율이 가장 높다.
한편, 이러한 이중 터빈을 이용하는 경우 터빈 사이의 간격이 중요한데 문헌에서는 두 터빈 축 사이의 거리를 직경의 1.5 ~2 배 정도로 유지할 경우 가장 높은 효율을 가질 수 있다고 제시된 바 있다.
이와 같은, 이중 터빈 구조를 갖는 시스템을 설치할 경우, 발전효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 하부구조물을 동시에 활용할 수 있게 됨으로써 비용 절감의 효과가 발생할 수 있고, 또한, 서로 회전방향이 반대인 점을 통해 반회전 발전기(Counter-Rotating Generator)(500)를 이용하여 1 : 2 증속기를 도입한 효과를 부수적으로 거둘 수도 있다.
그러나, 이중 터빈의 경우 단일 터빈에서와는 달리 요제어가 어느 정도 필요하게 된다. 즉, 흐름방향에 대하여 두 개 터빈 축을 연결한 선이 수직이 되도록 하는 것이 가장 효율이 높으며, 극단적으로 두 개의 터빈이 흐름 방향과 평행하게 놓이게 되는 경우에는 전방에 있는 터빈에 의하여 후류(wake)가 발생하게 되어 오히려 발전효율이 극도로 나빠지게 된다.
따라서, 이중 터빈 구조를 채택하는 경우에는 어느 정도의 요제어를 해야 하며 이때 능동제어(active control)를 도입하는 것보다는 수동제어(passive control)를 하는 것이 더 효율적이고 안정적인 제어를 구성할 수 있게 된다.
일반적인 조류(tidal current)의 경우 창조(flood tide)와 낙조(ebb tide) 사이에 거의 180도 정도의 위상차가 있기 때문에 큰 각도의 요잉을 할 필요가 없다. 따라서 능동 요제어(active yaw control)보다는 수동 요제어(passive yaw control)가 더 효율적일 수 있을 것이다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시 예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.
10 : 조류발전장치
50 : 복합발전시스템
70 : 풍력발전장치
100 : 무빙유닛
110 : 중심축
120 : 회전날개
130 : 연결봉
200 : 발전기
300 :　컨트롤러
400 : 무빙모듈
500 : 반회전 발전기
510 : 상부폰툰
520 : 하부폰툰
530 : 가이드 핀
540 : 폰툰지지부재
550 : 폰툰계류부재
600 : 복합발전모듈
610 : 모듈지지부재
620 : 모듈계류부재

Claims (13)

  1. 조류의 흐름방향에 대하여 수직하게 위치하고, 조류의 흐름에 따라서 움직이는 운동에너지를 발전기로 전달하여 전력을 발생시키는 수직축 조류발전장치에 있어서,
    조류의 흐름방향과 수직하게 설치되어 조류의 흐름에 따라 움직이는 무빙유닛을 포함하고,
    상기 무빙유닛은,
    바닥면에 연직한 상태로 회전가능하게 설치되는 중심축;
    상기 중심축의 길이방향을 따라 설정된 거리를 이격시켜서 설치되며 조류의 흐름방향에 따라 회전하는 적어도 하나의 회전날개; 및
    상기 중심축과 상기 회전날개에 각각 결합되면서 상기 중심축과 상기 회전날개를 연결시키는 연결봉을 포함하며,
    상기 무빙유닛과 연결되어 상기 무빙유닛의 움직임을 통해서 발생한 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기; 및
    상기 발전기에 연결되어 상기 발전기의 작동을 제어하며 상기 발전기를 통해서 변환된 전기에너지를 관리하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 무빙유닛은 적어도 하나 이상의 또 다른 무빙유닛과 연결되면서 하나의 무빙모듈을 이루며,
    상기 무빙모듈의 상부를 연결하면서 설치되어 조류의 유속을 강화하고 부력을 제어하는 상부폰툰; 및
    상기 상부폰툰에 대응하여 상기 무빙모듈의 하부를 연결하면서 설치되어 조류의 유속을 강화하는 하부폰툰을 더 포함하고,
    상기 상부폰툰 상부의 일부분에 연직방향으로 설치되어 수동적이나 능동적으로 요제어가 가능한 적어도 하나의 유선형의 가이드 핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전날개는,
    헬리컬이나 다리우스 형상으로 제작되는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 무빙모듈을 구성하는 상기 무빙유닛들에 각각 설정된 비율의 증속을 발생시키기 위해서 각각의 상기 무빙유닛들에 연결되면서 설치되어 상기 컨트롤러의 제어에 의해 작동하는 반회전 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 하부폰툰에는 상기 반회전 발전기가 탑재되는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 하부폰툰의 하부에 설치되면서 해저바닥에 고정되어 해상에서 상기 무빙모듈이 놓여진 상기 하부폰툰을 지지하는 폰툰지지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 하부폰툰의 일부분에 연결되고 해저바닥에 고정되어 해상에서 상기 무빙모듈이 놓여진 상기 하부폰툰의 부유시 위치를 고정시키는 폰툰계류부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치.
  11. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4, 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 의한 다중 수직축 조류발전장치를 이용한 복합발전시스템에 있어서,
    상기 조류발전장치가 하부에 설치되고, 상부에는 바람을 이용하여 전기를 발생시키는 풍력발전장치가 설치되어 하나의 복합발전모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치를 이용한 복합발전시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 복합발전모듈의 하부에 설치되면서 해저바닥에 고정되어 해상에서 복합발전모듈을 해상에서 지지하는 모듈지지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치를 이용한 복합발전시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 복합발전모듈의 일부분에 연결되고 해저바닥에 고정되어 해상에서 상기 복합발전모듈의 부유시 위치를 고정시키는 모듈계류부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 수직축 조류발전장치를 이용한 복합발전시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115535234A (zh) * 2022-11-10 2022-12-30 哈尔滨工程大学 一种利用波浪能发电的水上起降无人机

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101596155B1 (ko) * 2014-08-18 2016-02-22 현대건설주식회사 부유식 조류발전 장치

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