| 초록 |
본 발명을 실시하기 위해서 위로부터 유도한 유체역학적 이론에 의거 본 발명에 의한 장치의 한 가지를 아래와 같이 설계하고, 이 장치로부터 얻을 수 있는 기대 전력량을 이론적으로 추출하여 본 발명의 실시에 따른 전력 생산이 기대 가능한 효율을 갖고 있음을 증명하고자 한다. 수심 20m 아래에 있는 해수의 유속이 3m/sec인 조류가 직경 3m의 벤츄리관의 입구에 유입되어 직경 0.6m의 벤츄리관을 통과한 후 [도 1]의 오른쪽(해수 진행 방향)으로 진행하고, 해수면 위(대기압 1기압)에 설치된 공기유도관(직경 1m,풍속 v 3 )을 따라 유입된 공기가 [도 2]의 (라)부분에 설치된 회전자((직경 0.6m)의 팬 또는 터빈 등)를 통과하여 [도 2]의 (나)부분으로 유입되어 [도 2]의 분사관을 통해 오른쪽 방향으로 분산된다고 할 때, 공기유도관 내에 설치된 회전자로부터 얻을 수 있는 실효일률(Power, P effect )을 구해 보기로 하자. 유체가 흐르는 원형관의 반지름을 r이라고 하면 그 단면적 A=πr 2 이다. 따라서 벤츄리관에 유입된 v 1 = 3m/sec인 해수가 벤츄리관의 최소단면적(나) 지점을 통과하는 순간의 속도(v 2 )는 식(1)로부터, v 2 = v 1 (A 1 /A 2 ) = (3m/sec)·π(1.5m) 2 /π(0.3m) 2 = 75 m/sec 가 된다. 벤츄리관 내부로 유입된 공기가 해수와 함께 분산, 혼합되어 주변의 해수밀도를 급격히 감소시키므로 위와 같이 유도된 순간최대속도 v 2 = 75m/sec가 바다의 해수속도와 평형을 이루는 과정을 상당하게 지연시킬 수 있으므로, 유도된 순간 최대속도는 공기를 지속적으로 유입, 순환시키는 유효한 양의 가치를 갖게 된다.(수류펌프 원리) 해수 내의 압력변화율(10m당 1기압씩 증가)에 따라 수심 20m에서의 압력은 해수면 압력(1기압)의 3배(3기압)이며, 해수의 밀도는 1,030kg/m 3 이므로 식(4)로부터 벤츄리관 내에 유도되는 최소압력값(P 2 )을 구한 후 [부호의 설명]에 정리된 일과 압력의 단위를 이용하여 환산하면 (3기압)- P 2 = ½(1,030kg/m 3 )×(75m/sec) 2 ×[1-π(0.3) 2 /π(1.5m) 2 ] = 2,781,000 kg/msec 2 (≡ N/m 2 )=2,781,000Pa≒(27.5기압) 이므로 벤츄리관 내 최소압력값(P 2 )는 P 2 ≒ - 24.5 기압 이 된다. 즉, 벤츄리관과 공기유도관이 연결된 지점의 압력이 해수면 압력(1기압)보다 상당히 낮으므로 해수면 위의 공기는 공기유도관을 통해 흡입, 벤츄리관의 오른쪽 방향으로 흐르게 된다.[도 2] 이 과정을 통해 유입된 공기는 벤츄리관을 통해 해수에 분사된 후 대기로 돌아 가는 순환과정을 거치게 되며, 공기유도관 내의 유도된 공기흐름(풍력)을 이용하여 유효한 정도의 풍력발전을 하는 것은 가능하다 할 것이다. 공기유도관과 벤츄리관의 연결부분[도 2의 (나),(라)] 사이가 매우 가깝다고 가정하면 그 경계면에서 P 4 ≒P 2 가 성립하므로, 1기압 15℃ 에서 공기밀도 ρ'= 1.225kg/m 3 일때 이 지점에서 공기의 유속(v 4 )을 구하면, 식(5) 로부터 (1기압)-(-24.5기압) =½(1.225kg/m 3 )×v 4 2 ×[1-π(0.3m) 2 /π(0.5m) 2 ] 가 된다. 위 식으로부터 좌변값과 우변값을 [부호의 설명]에 정리된 단위표를 이용하여 환산, 정리하면 좌변값은 (25.5기압×1,013×100)Pa = 2,583,150 kg/m·sec, 우변값은 0.392×v 4 2 ·(kg/m 3 )가 된다. 따라서 v 4 2 = (2,583,150 kg/m·sec)/(0.392kg/m 3 )= 6,589,668 m 2 /sec 2 이므로, 공기유도관 내 공기의 유속(v 4 )≒ 2,567 m/sec 임을 추론할 수 있다. 따라서 위와 같은 원리에 의해 발생된 공기의 흐름(v 4 )을 이용 공기유도관 내에 설치된 회전자를 회전시켜 풍력발전을 하게 된다면, 식(8) 로부터 바람의 운동에너 |
