JP2019535964A

JP2019535964A - 多段落差構造を利用した水力発電装置

Info

Publication number: JP2019535964A
Application number: JP2019547562A
Authority: JP
Inventors: パク，ジョンチ
Original assignee: Park jungchi
Current assignee: Park jungchi
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-12-12
Also published as: WO2018097544A1; CN109964027A; KR101825845B1; US20200063706A1

Abstract

本発明は多段落差構造を利用した水力発電装置に関し、垂直に設置される一定の長さの支持台１０と；支持台１０に回転可能に設置される水平の回転軸２１と、回転軸２１を基準として放射状に配列された複数個のバケット２２をそれぞれ具備する複数個の水車２０と；支持台１０の上、下部にそれぞれ設置されて一定量の水が入る上、下部水槽３０、４０と；下部水槽４０の内部に設置されて下部水槽４０に入っている水を前記上部水槽３０に供給するポンプ５０と；複数個の水車２０の回転軸２１にそれぞれ設置される発電機６０および；発電機６０で生産された電気を貯蔵する充電バッテリー７０；で構成されることを特徴とし、このような構成によって本発明は電気を安定的かつ効果的に生産することができる。

Description

本発明は多段落差構造を利用した水力発電装置に関し、さらに詳細には複数個の水車が上下に設置され、上方の水が重力によって複数個の水車に沿って下方に落下しながら水車をそれぞれ回転させて発電機を駆動することによって電気を生産する、多段落差構造を利用した水力発電装置に関する。

一般に火力、水力、風力および太陽熱などを利用して電気を生産する多様な方法が知られており、この中でも水力を利用して電気を生産する装置（以下「水力発電装置」という。）は、環境の汚染が少なく構造が簡単であり、他の発展装置に比べて発電コストが安いという長所があるため、広く使われている。

前記のような水力発電装置は、一般的に上部に位置する水が重力によって落下しながら水車を回転させることによって回転動力を発生させ、この回転動力を利用して発電機を駆動して電気を生産する構造で設置される。

前記のように、水車を利用した水力発電装置の例として韓国登録特許第１２７２６０７号の水車を利用した発電システムの集水装置が挙げられるが、この特許文献に開示された水力発電装置は水車を垂直方向に多段に配置し、上方の水が多段配置された水車に沿って連続的に落下しながら多段配置された複数個の水車を回転させるように構成され、これによって小型の水車を複数個設置するため、水が落ちる高さに合わせて水車を適切に設置することができる。

しかし、前記特許文献の水力発電装置は小型の水車が複数個設置されることによって、それぞれの水車に加えられる水が落下する高さを大きくすることが難しく、このため、水車を回転させる力の強さも小さくなる短所がある。

さらに、多段に設置されたそれぞれの水車はギアを通じて一つの駆動軸を回転させるように連結されるが、このような構造によって、初期駆動時に最上部に位置する水車だけでは駆動軸を回転させることが困難であるため水車の回転が円滑に行われず、これはつまり、下方に位置する水車の負荷に転嫁されるため、全体として水車が容易に回転できないという問題がある。

したがって、初期作動時にはモータなどを利用して水車または駆動軸などを回転させることによって水車が容易に回転できるように回転動力を提供しなければならず、また、水車を連続的に回転させるためには、ポンプなどを利用して水を最上部の水車側に持続的に供給しなければならないため、モータとポンプなどを駆動するための電気が消費され、これはつまり、発電機が駆動されて生産される電気の発電効率につながるため、発電効率が低下するという問題もある。

したがって、初期駆動時にモータなどの動力を提供せずとも水車を容易に回転させることができ、また、連続的にポンプを駆動せずとも水車を連続的に回転させることができ、発電効率も高い水力発電装置の開発が要求される。

したがって、本発明は前記のような従来の多段式水車を利用した発電装置が有する問題点を解決するために案出されたものであって、多段の水車を利用した水力発電装置において、初期駆動時にモータを使って水車を回転させずとも水車を容易に回転させることができ、また、ポンプを連続的に稼動せずとも発電を持続できる多段落差構造を利用した水力発電装置を提供することにその目的がある。

前記のような本発明の目的は、水力発電装置を、垂直に設置される一定の長さの支持台と；支持台に回転可能に設置される水平の回転軸と、回転軸を基準として放射状に配列された複数個のバケットをそれぞれ具備する複数個の水車と；支持台の上、下部にそれぞれ設置されて一定量の水が入る上、下部水槽と；下部水槽の内部に設置されて下部水槽に含まれた水を上部水槽に供給するポンプと；複数個の水車の回転軸にそれぞれ設置される発電機および；発電機で生産された電気を貯蔵する充電バッテリー；で構成することによって達成される。

そして、本発明は上部水槽に一対の水位感知センサが設置され、一対の水位感知センサで感知される最高および最低水位情報によって上部水槽に一定量の水が維持されるようにポンプの動作が制御されることを特徴とする。

また、本発明は複数個の水車の間に、それぞれ複数個の水車を通過して落下する水を案内する水受けが互いに反対側に設置されることをさらに他の特徴とする。

これに加え、本発明は複数個の水車の回転軸と発電機の回転軸にはそれぞれプーリまたはスプロケットが設置され、回転軸に設置されるプーリまたはスプロケットはＶベルトまたはチェーンを通じて連動するように設置されることをさらに他の特徴とする。

本発明によると、複数個の水車がそれぞれの発電機と連動して独立的に動作するように構成されているため、それぞれの水車が独立的に回転しながら電気が安定的に生成され、また、下部水槽に貯蔵された水が上部水槽に一定量貯蔵された後、水位感知センサの検出結果に合わせてポンプが間欠的に動作しながら上部水槽に水を供給するように制御されるため、ポンプの駆動に必要な電気を節約することができる。

また、本発明は水車と発電機の回転軸に設置されるプーリの直径の差またはスプロケットのギア比により発電機の回転軸が従属回転するため、従属ギアセットを別途に設置せずとも発電に必要な十分な回転動力を発生させることができ、これによって水力発電装置の設置構造が簡単になる。

そして、本発明は水受けの下端部分にＶ字状に切開された集水部が形成されて上部に位置した水車を回転させ、水受けに集水された水が再び下部に位置する水車を回転させるために下方に落ちる時、Ｖ字状の集水部によって水が一ケ所に集まって落ちるため、水が水車の周辺に分散することによる損失を最小化することができる。

図１は、本発明に係る多段落差構造を利用した水力発電装置の例を示した構成図である。図２は、本発明に係る水車の例を示した斜視図である。図３は、本発明に係る水受けの例を示した斜視図である。図４は、本発明に係る多段落差構造を利用した水力発電装置の使用例を示した使用状態図である。

以下、好ましい実施例を図示した添付図面を参照して、本発明の構成と作用についてさらに詳細に説明する。

本発明は、多段に設置された水車を利用した水力発電装置において、初期駆動時にモータなどを使って水車を回転させずとも水車を容易に回転させることができ、また、ポンプを連続的に動作させずとも発電を持続できる多段落差構造を利用した水力発電装置を提供しようとするものであって、このために本発明の水力発電装置は、図１に図示された通り、支持台１０、水車２０、上部水槽３０、下部水槽４０、ポンプ５０、発電機６０および充電バッテリー７０で構成される。

支持台１０は地上に木材や金属フレームなどで一定の高さを有するように起立設置されるものであって、このような支持台１０の上部には最上部の水車２０に水を供給する上部水槽３０が設置され、上下方向に複数個の水車２０が設置され、水車２０に対応して複数個の発電機６０が設置される。

支持台１０には複数個の水車２０が上下方向に一定の間隔をおいて設置され、このような複数個の水車２０により上部水槽３０から供給される水が、上部に位置する水車２０から下部に位置する水車２０に順次落下することによってそれぞれの水車２０が回転して回転動力が発生し、この回転動力によって発電機６０が駆動されて電気が生産される。

前記のような複数個の水車２０は、それぞれ図１および図２に図示された通り、水平の回転軸２１が備えられ、この回転軸２１を基準として一定の長さの連結台（図面番号なし）が放射状に設置され、連結台の周りに沿ってバケット２２が放射状に設置され、このバケット２２に上部から落下する水が入るかまたは落下する過程でバケット２２にぶつかる力によって水車２０が回転する。

そして、水車２０の回転軸２１にはプーリ２４またはスプロケットが設置され、これによって後述する発電機６０の回転軸６１に設置されるプーリ６２またはスプロケットとベルトＢまたはチェーンで連動して、水車２０の回転によって発電機６０が駆動される。

また、水車２０と水車２０の間にはその上側に位置する水車２０の底面と側面をカバーするように水受け２３が設置され、この時、上下側の水受け２３は上下方向に隣接する水車２０が反対方向に回転するように互いに反対側に位置する。

そして、水受け２３には図３に図示された通り、一端がＶ字状に切開された集水部２３Ａが形成され、これによって水受け２３に受け付けられた水が下方に位置するさらに他の水車２０に落下する時、水が集水部２３Ａを通じて１ヶ所に集まって落下するので、水が周辺に分散することによる損失の発生が最小化される。

支持台１０の上部には一定量の水が入る上部水槽３０が設置され、このような上部水槽３０により後述する下部水槽４０の水がポンプ５０を通じて一定量貯蔵された後、最上部に位置する水車２０に向かって水を供給し、これによってポンプ５０を連続的に動作させずとも水車２０が回転し続けて発電機６０が連続的に駆動されて発電が行われる。

前記のような上部水槽３０は上部が開放された四角のボックス状に製作され、その内部には最低水位と最高水位をそれぞれ検出するための水位感知センサ３１、３２が設置され、下部の一側には最上部に設置される水車２０の回転軸２１を基準として一側方向に偏って水が落ちるように案内する水供給管（図面番号なし）が上部水槽３０の内部と連通して形成される。

また、上部水槽３０は雨が降ると上部水槽３０の開放された上面を通じて雨水が上部水槽３０に貯蔵され、したがって、上部水槽３０に水を供給するためにポンプ５０を駆動しなくてもよいため、電気エネルギーが節約される。

この時、本発明は上部水槽３０を通じて雨水をさらに効率的に集水して貯蔵するために、上部水槽３０の上部の周りが下部の周りよりも広く形成され、これによって同じ時間帯に雨水が集水される面積が増加してさらに多量の雨水を早く集水することができる。

支持台１０の下部には下部水槽４０が設置され、この下部水槽４０により複数個の水車２０を回転させて落ちる水が貯蔵された後、再びポンプ５０を通じて上部水槽３０に供給されながら循環する。

このような下部水槽４０は、上部水槽３０の水収容量対比２〜３倍の容量で設計され、このような構造により、上部水槽３０に水が最高水位に達するように供給されても下部水槽４０に十分な量の水が残るようになるため、水の循環過程で多少水が失われる場合にも安定的に発電を持続することができ、また、水中のポンプ５０が外部に露出せず水に浸った状態が維持されることによって、上部水槽３０に水を安定的に供給することができる。

下部水槽４０の内側にはポンプ５０が設置され、このポンプ５０を通じて下部水槽４０に入っている水が上部水槽３０に供給され、このようなポンプ５０は下部水槽４０の底に位置して水に浸る水中ポンプが使われ、この時、下部水槽４０の異物などがポンプに流入しないように水流入口（図面番号なし）側には網構造のフィルタ（図示されず）が設置され、水排出口（図面番号なし）には上部水槽３０と連結される給水管５１が設置される。

支持台１０の一側には複数個の水車２０と連動するように複数個の発電機６０が設置され、このような発電機６０により水車２０が回転すると発電機６０が共に駆動されて電気が生産される。

この時、発電機６０の回転軸６１には水車２０の回転軸２１に設置されたプーリ２４よりも直径が小さいプーリが設置されるか、またはギア比が小さいスプロケットが設置され、これらプーリ２４、６２またはスプロケットにＶベルトＢまたはチェーンが設置されて、従属ギアセットを別途に設置せずとも、水車２０の回転時に発電機６０の回転軸６１が従属回転することによって発電に必要な回転動力が発生する。

支持台１０の下部の一側には充電バッテリー７０が設置され、このような充電バッテリー７０により複数個の発電機６０でそれぞれ生産された電気が充電され、この時、充電バッテリー７０は複数個で構成されていずれか一つの充電バッテリー７０がポンプ５０および水位感知センサ３１、３２に必要な電気を供給するように電源線が連結される。

以上のような構造からなる本発明の多段落差構造を利用した水力発電装置を使う時には、図４に図示された通り、まず下部水槽４０に貯蔵された水をポンプ５０を駆動させて上部水槽３０に供給すると、上部水槽３０の水が供給されると同時に水供給管を通じて一定の速度で水が最上部に位置する水車２０Ａに落下しながら水車２０Ａが回転し、これによってＶベルトＢやチェーンに連結された発電機６０が駆動されて電気が生産される。

そして、上部水車２０Ａを回転させた水は水受け２３に入ってその下方に位置するさらに他の水車２０Ｂ、２０Ｃに順に供給されて水車２０Ｂ、２０Ｃを回転させ、これによってそれぞれの水車２０Ｂ、２０Ｃに連結されたそれぞれの発電機６０が駆動されて電気が生産され、最下部側に位置する水車２０Ｃの回転に使われた水は再び下部水槽４０に集水されて貯蔵される。

また、ポンプ５０は下部水槽４０に貯蔵された水を上部水槽３０に供給し、最高水位を検出する水位感知センサ３２により水位検出信号が発生するとポンプ５０の稼動が中断され、さらに最低水位を検出する水位感知センサ３１により水位検出信号が発生するとポンプ５０が再稼働されて上部水槽３０に水が再供給され、このような構造によって上部水槽３０には最低水位の水が常に維持されるため、水車２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃと発電機６０が連続的に駆動されることによって電気が安定的に生産される。

以上で説明したように、本発明は初期駆動時にモータなどを使って水車を回転させずとも水車を容易に回転させることができ、また、ポンプを連続的に動作させずとも安定的に発電を行うことができる。

１０：支持台
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ：水車
２１：回転軸
２２：バケット
２３：水受け
２３Ａ：集水部
２４：プーリ
３０：上部水槽
３１、３２：水位感知センサ
４０：下部水槽
５０：ポンプ
５１：給水管
６０：発電機
６１：回転軸
６２：プーリ
７０：充電バッテリー
Ｂ：Ｖベルト

Claims

垂直に設置される一定の長さの支持台（１０）と；前記支持台（１０）に回転可能に設置される水平の回転軸（２１）と、前記回転軸（２１）を基準として放射状に配列された複数個のバケット（２２）をそれぞれ具備する複数個の水車（２０）と；
前記支持台（１０）の上、下部にそれぞれ設置されて一定量の水が入る上、下部水槽（３０、４０）と；
前記下部水槽（４０）の内部に設置されて前記下部水槽（４０）に入っている水を前記上部水槽（３０）に供給するポンプ（５０）と；
前記複数個の水車（２０）の回転軸（２１）にそれぞれ設置される発電機（６０）および；
前記発電機（６０）で生産された電気を貯蔵する充電バッテリー（７０）；からなることを特徴とする、多段落差構造を利用した水力発電装置。
前記上部水槽（３０）には一対の水位感知センサ（３１、３１）が設置され、
前記一対の水位感知センサ（３１、３２）で感知される最高および最低水位情報によって前記上部水槽（３０）に一定量の水が維持されるように前記ポンプ（５０）の動作が制御されることを特徴とする、請求項１に記載の多段落差構造を利用した水力発電装置。
前記複数個の水車（２０）の間には、それぞれ前記複数個の水車（２０）を通過して落下する水を案内する水受け（２３）が互いに反対側に設置されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の多段落差構造を利用した水力発電装置。
前記複数個の水車（２０）の回転軸（２１）と発電機（６０）の回転軸（６１）にはそれぞれプーリ（２４、６２）またはスプロケットが設置され、前記水車（２０）の回転軸（２１）および前記発電機（６０）の回転軸（６１）に設置される前記プーリ（２４、２６）またはスプロケットはＶベルト（Ｂ）またはチェーンを通じて連動するように設置されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の多段落差構造を利用した水力発電装置。