JP6512465B2 - 管路用水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、管路用水力発電装置に係り、さらに詳しくは、管路の一部に設置し、供給される水の流速を内部に誘導して回転するタービンで電力を生産し、流入する流速によって、環境にやさしいエネルギーを活用するうえ、管路の大きさに応じて大きさを小型化および多様化することにより低い流速でも電力を生産することができるようにし、タービンのブレード数および半径を調節して同じ流速で角速度を高めることにより高効率の発電が行われるようにする、管路用水力発電装置に関する。

一般に、電力の生産方法には、火力発電、原子力発電、水力発電、太陽光発電、風力発電、潮力発電などがある。火力発電および原子力発電は、熱により発生した蒸気で発電機内のタービン（ｔｕｒｂｉｎｅ）を回転させて電気を発生させるものであり、水力発電は、ダムに貯水された水の落差によってタービンを回転させて電気を発生させるものである。

しかし、火力発電は、石炭または石油などの化石燃料をエネルギー源（ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅ）として用いるもので、発電所の建設費は比較的安いものの、化石燃料などの埋蔵量に限界があって漸次枯渇しつつあるうえ、環境を汚染させるという問題点がある。

また、原子力発電は、ウランなどの放射性物質を核分裂させるときに発生する膨大な量の熱をエネルギー源として使用するもので、発電容量は大きいものの、放射能による環境汚染が深刻であるという問題点がある。

したがって、古くから環境汚染を防止しながらも発電することが可能な水力発電およびその利用についての実質的な装置の開発のための研究および努力が行われてきた。

ところが、従来の水力発電装置は、高落差の地形を利用するので、地理的環境を利用するか、或いは高いダムの落差を得るために莫大な土木構造を必要とした。

このような高落差の構造障壁により、発電所の上流と下流は互いに生態的に連結が遮断される現象を回避することができず、従来の水力発電は、概ね傾斜のある山間地域に位置して、受給者が集まっている都心とは遠い距離なので、電気の輸送施設費用が多くかかる。

このために低落差および緩やかな流速で使用できるようにした技術が開示されている特許文献１は、地面に設置される支持部材同士の間に、低落差および水の流速に応じて回転する回転体を設置して発電を行う方式であって、効率の良い発電が予想されるが、設置場所が地面に限定されているので実用性に乏しいという欠点がある。

一方、低落差および緩やかな流速で使用できる浮遊式水力発電装置は、様々な種類が提示されているが、次の問題により実際の使用には制限的である。

特許文献２は、浮遊する構造物に複数の水車を設置し、水車の半分以下を水に潜水させて発電を行う形態であって、浮遊施設に比べて水車の効率が相対的に低い構造なので非効率的である。

特許文献３は、浮遊体を両側に浮かべ、それらの間に水車を設置する構造の発電方式であって、施設費用を相対的に減らし、効率の良い発電が予想されるが、構造的な安定性や実現性の面で浮遊体の固定および水車との構造的結合技術が詳細に提示されておらず、不安定な要素が多い。

特許文献４は、浮遊するバージ（はしけ）形の構造物に水車を設置して、水面の下の水車が動力を発生して発電する方式の技術であって、浮遊バージの施設は安定しているが、バージの固定および低流量の場所に適さない面がある。

このように、現在までの浮遊形態の構造物に水車を設置する方式の水力発電装置は、浮遊体の施設費用や浮遊体による動力損失など、実用性および効率の面で不十分な点が多いと思われる。

近年では、かかる問題点を解決するために、多くの水力および潮力発電施設が登場している。このような理由から、発電エネルギーの原価を節約するために人工貯水池を設けて落差を利用した水力発電設備がたくさんできている。

特に、緩やかな傾斜地形の河川は、ゆっくりと流れるので、現在、これを利用した発電に多くの困難さがあり、そのような発電施設は、効率に劣るという問題点によりほぼないのが実情である。

これにより、落差があまり大きくない地形の緩やかな流れの水流および幅を利用して、様々な環境変化にも適切に使用することができる低落差を利用した水力発電装置についての研究開発が求められている。

一方、多様な位置や場所に水または流体を移送するために水道管、下水管および雨水管などの様々な管路を利用し、前記管路では様々な流速が発生するが、このような流速を利用して効率の良い発電が行われない欠点と、流速が遅い場合または多様な位置で効率の良い発電が行われない欠点があった。

韓国公開特許第１０−２０１０−０１０４６９４号公報 韓国登録実用新案第２０−０３２９７８５号公報 韓国登録実用新案第２０−０４１５７３３号公報 韓国登録実用新案第２０−０４１５７４８号公報

そこで、本発明は、かかる従来の欠点を解消するためになされたもので、その目的は、水の落差が比較的小さい低落差の管路に設置して、管路の流速に変化を与えることなくタービンを回転させるようにすることにより、環境にやさしいエネルギーを活用した水力発電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、水の流速がタービンおよびブレードに加わるとき、角速度を高めて回転エネルギーを極大化させることで高効率の発電が行われるようすることにある。

本発明の別の目的は、流速とタービンおよびブレードの移動方向が一致して高い効率を得て、高効率の発電が行われるようにすることにある。

本発明の別の目的は、タービンのブレード数および半径を調節して同じ流速で角速度を高めることで高効率の発電が行われるようすることにある。

本発明の別の目的は、ブレードの先端と上部排水部との間に一定の間隔による速度水頭を作って複数のブレードに同じ圧力を発生させ、回転軸にブレードの数に相応する回転力を発生させることで高効率の発電が行われるようにすることにある。

上記目的を達成するための本発明は、入水管が連結される入水管連結口を形成し、前記入水管連結口から入水口に連結される入水四角管と；前記入水四角管が連結される入水口の後ろに、上側にはブレードが展開される上部排水部を形成し、前記上部排水部の下側にはブレードが折り畳まれるブレード案内部を形成し、上部排水部から流入する水を排出する出水口を形成した一対の案内ガイドと；前記案内ガイドにタービン軸が貫通して設置され、外周部に一定の間隔で形成されるブレード溝の内側にはブレードの補強部が２面で結合する剛性補強溝を設置し、前記ブレード溝に固定軸が貫通するように設置するが、ブレードが折り畳まれるようにするためにブレード案内部との間隔は狭く、ブレードが流速で展開されるようにするために上部排水部との間隔は広く形成されるように配置し、両側にタービンカバーがタービン固定ネジで固定されて案内ガイドの内側で回転可能に結合し、タービン軸が案内ガイドを貫通してベアリングで回転するようにするタービンと；前記ブレード溝内でタービンのタービンカバーに固定軸で連結し、水の流速で展開されながらタービンを回転させるブレードと；前記出水口に連結され、出水管が結合する出水管連結口を形成した出水四角管と；を含んでなる管路用水力発電装置において、前記タービンは、両側に結合するタービンカバー同士の間にパッキンを設置し、一定の間隔でブレード溝を形成してブレードが結合するように設置し、前記ブレードは、固定軸が貫通し、両側で遊動ブッシングによって回転可能に連結され、外側先端がブレード溝から突出し、剛性補強溝と２面で結合する補強部を有することを特徴とする。

本発明は、水の落差が比較的小さい低落差の管理に適用して管路の流速に変化を与えることなく、タービンを回転させるようにすることにより、環境にやさしいエネルギーを活用した水力発電が可能な効果を提供する。

本発明は、管路の様々な大きさと流速に影響されることなく、管路の大きさおよび流速に応じて発電可能な様々な大きさで設置し、管路に一定の間隔をおいて多様な個数または大きさで設置して効率の良い発電が行われるようにする効果を提供する。

本発明は、発電に必要な水の量および流速が供給される管路に連結され、回転するタービンでブレードが流速によって展開されたり折り畳まれたりして、流速によってブレードに作用する荷重を十分に維持する剛性補強効果、および効率の良い発電が行われるようにする効果を提供する。

本発明は、管路における水の流速とタービンおよびブレードの移動方向が一致して高い効率を得、高効率の発電が行われるようにする効果を提供する。

本発明は、タービンのブレード数および半径を調節して同じ流速で角速度を高めることで高効率の発電が行われるようにする効果を提供する。

本発明は、ブレードの先端と上部排水部との間に一定の間隔で空隙による速度水頭を作って複数のブレードに同じ圧力を発生させ、回転するタービンの回転軸にブレード数に相応する回転力を発生させることで高効率の発電が行われるようにする効果を提供する。

本発明の好適な実施例を示す設置状態の斜視図である。 本発明の設置状態における内部を示す斜視図である。 本発明の設置状態を示す正面図である。 本発明の設置状態を示す平面図である。 本発明の設置状態を示す側面図である。 本発明の設置状態を示す正面断面図である。 本発明の設置状態を示す平面断面図である。 本発明の設置状態を示す側面断面図である。 本発明の設置状態を示す案内ガイドの正面断面図である。 本発明の主要部分に対する設置状態の拡大図である。 本発明のブレードがないタービンの正面図である。 本発明のブレードが折り畳まれた状態の要部拡大正面図である。 本発明のブレードが展開された状態の要部拡大正面図である。 本発明のタービンとブレードに対する結合状態の側面断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

図１は本発明の好適な実施例を示す設置状態の斜視図、図２は本発明の設置状態における内部を示す斜視図、図３は本発明の設置状態を示す正面図、図４は本発明の設置状態を示す平面図、図５は本発明の設置状態を示す側面図、図６は本発明の設置状態を示す正面断面図、図７は本発明の設置状態を示す平面断面図、図８は本発明の設置状態を示す側面断面図、図９は本発明の設置状態を示す案内ガイドの正面断面図である。

水を含む液体類を供給する入水管４０が連結される入水管連結口４１が前方に断面円形の形状に形成され、前記入水管連結口４１の一側に断面四角形の形状に形成されて水を供給する入水四角管４２が入水口３１の前方に連結されるようにする。

前記入水四角管４２が連結される入水口３１を形成する一対の案内ガイド３０、３０ａを形成し、前記案内ガイド３０、３０ａはガイド固定ボルト３５で結合する。

前記案内ガイド３０、３０ａの後方に形成する出水口３４の先端には断面四角形の形状に形成された出水四角管５１が連結され、前記出水四角管５１には出水管連結口５２が形成されることにより、出水管５０が連結された後に水が排出されるようにする。

前記案内ガイド３０、３０ａは、入水口３１と出水口３４との間で上側に流入した水がブレード２０を回転させた後に排出されるようにする上部排水部３２を上側に形成し、前記ブレード２０が折り畳まれて回転するようにするブレード案内部３３を形成する。

前記タービン１０とタービンカバー１６との間にはパッキン２５が設置されることにより、水密を保つようにする。

前記ブレード２０が一定の間隔で連結されたタービン１０は、両側にタービンカバー１６がタービン固定ネジ１９で一体となるように固定され、タービン１０の中央に結合されたタービン軸１１は、案内ガイド３０、３０ａを貫通するように設置され、前記タービン軸１１は、タービン軸ブッシング１７とベアリング１８によって案内ガイド３０、３０ａで回転可能に設置される。

前記タービン軸１１は、案内ガイド３０、３０ａの外側において軸カバー１６で覆われている。

前記上部排水部３２の下側には、外周部に一定の間隔で設置されて回転しながら水によって自然に展開されたり折り畳まれたりするブレード２０を複数個有するタービン１０がタービン軸１１によって回転するように設置する。

前記案内ガイド３０、３０ａの内部でタービン１０に水を供給する入水口３１は、内側から上側方向へ水の供給方向が制御されるように形成して上部排水部３２とタービン１０の外周部との間に水が供給されるようにする。下側に前記ブレード案内部３３を設置して、タービン１０の回転時にブレード２０が折り畳まれるようにし、前記ブレード案内部３３の右側先端には出水口３４を形成して、水平状態または出口側へ行くほど広くなって流量が直進性をもって容易に放出されるようにする。

図１０は本発明の主要部分に対する設置状態の拡大図、図１１は本発明のブレードがないタービンの正面図、図１２は本発明のブレードが折り畳まれた状態の要部拡大正面図、図１３は本発明のブレードが展開された状態の要部拡大正面図、図１４は本発明のタービ ンとブレードに対する結合状態の側面断面図である。

タービン１０は、円形からなり、一定の間隔でブレード２０が引っかかることなく一定の角度で折り畳まれるようにするブレード溝１２を形成し、前記ブレード溝１２の一側には、コーナー部分がラウンドになっている「Ｌ」状の剛性補強溝１３を形成する。

前記タービン１０に形成した剛性補強溝１３には、固定軸２１が貫通した後、遊動ブッシング２２でブレード２０が回転可能に結合するが、前記タービン１０の両側に設置したタービンカバー１６に固定軸２１が結合して固定ベアリング１５またはブッシングで連結され、前記固定軸２１の外周部には遊動ブッシング２２が結合してブレード２０が回転するようにする。前記剛性補強溝１３は、ブレード２０が立ち上がる場合に補強部２３と後方および下側で一致する結合状態を提供するように形成する。

前記タービン１０は、ブレード２０が折り畳まれて回転移動するようにするためにブレード案内部３３との間隔は狭く、流入する水によってブレード２０が展開されて回転が行われるようにするために上部排水部３２との間隔は広く形成されるように設置する。

前記ブレード２０は、補強部２３から垂直に突出してから先端では上方に流線型となるように延び、前記補強部２３ではラウンド状に延びた後、ブレード溝１２と一致するように垂直に突出し、前記ブレード溝１２の先端では下側に傾くように形成されることにより、

状をなし、外側先端は折り畳まれた状態でブレード溝１２の外側に一部が突出し、流速によって回転して展開されるか或いはブレード案内部３３にひっかかって折り畳まれるように設置する。

前記ブレード２０の幅、高さおよび大きさは、管路および設置位置の流速と発電量に応じて多様に調節することができる。

前記ブレード２０の展開される位置から水の放出される出水口３４の前方にわたる上部排水部３２が同じ間隔を維持し、ブレード２０の先端と上部排水部３２との間に一定の間隔を置く空隙を介して速度水頭を作って複数のブレード２０に同じ圧力を発生させるようにする。

このような構成からなる管路用水力発電装置は、様々な液体類を供給する管路に設置するもので、入水管４０の先端を連結する入水管連結口４１の断面円形の形状が断面四角形の形状に変わる入水四角管４２から入水口７１へ水が供給されるようにし、供給される水は、四角形の入水口７１の形態を介して内側から上側方向へ移動しながら、タービン１０と上部排水部３２との間の空間を所定の流速で移動してタービン１０の外側へ供給される。

本発明の管路用水力発電装置を設置すると、管路での水量、傾斜度および圧力による多様な流速が発生し、流速による発電の効率が現れる場合には連続して設置することが可能なので、低落差を利用した様々な管路で環境にやさしいエネルギーを活用した水力発電が可能である。

本発明は、管路に連結した状態で入水口３１の形態に沿って水をタービン１０の前方と上部排水口３２の下側へ誘導および案内する。

前記入水口３１を通過した水がタービン１０の前方上側に供給されると、流速に応じて、タービン１０の外周部に先端が露出するように設置したブレード２０がブレード溝１２に折り畳まれた状態から立ち上がる。

ブレード２０は、固定軸２１を介してブレード溝１２の内部に設置された状態で遊動ブッシング２２を介して回転可能に設置されているので、流速に応じて回転し、上部排水部３２の内部で立ち上がった状態を提供し、入水管４０の流速と一緒にブレード２０を移動させる動力源が発生し、タービン１０を連続して回転させる回転動力源を提供する。

前記ブレード２０がブレード溝１２から立ち上がると、補強部２３と剛性補強溝１３が、「Ｌ」状にコーナー部分がラウンドとなるように一致した状態を提供するので、補強部２３は、剛性補強溝１３の後方と底部などの２方向で一致した状態を提供することにより、ブレード２０に流速により提供される荷重が作用する場合でも安定して回転力を提供することが可能な剛性補強効果を提供する。

すなわち、ブレード２０の幅と高さは多様に適用することが可能であり、ブレードはタービン１０の外周部において固定軸２１に設置した状態で遊動ブッシング２２を介して回転可能に設置し、ブレード２０の幅を広くする場合には補強部２３の広い幅と剛性補強溝１３の広い幅で均一に分布する荷重が作用するので、ブレード２０とタービン１０に無理を与えることなく発電することができる。

前記ブレード２０とタービン１０は、材質による効率が様々に現れる現象が発生するが、比較的軽くて強い金属材質を使用することが好ましい。

前記ブレード２０は、上部排水部３２の弧状形態を通り過ぎながら流速で展開されてタービン１０の回転動力源を提供し、上部排水部３２を通り過ぎるとブレード案内部３３に到達しながら、ブレード２０の回転方向で一部分が引っかかって自然に折り畳まれてブレード溝１２に折り畳まれた状態でブレード案内部３３を通過し、動力が消耗しないようにタービン１０と一緒に回転する。

特に、水の流速とブレード２０の移動方向が一致してタービン１０を回転させるので、高い効率を得て高効率の発電が行われるようにし、タービン１０に設置するブレード１０の数および半径を調節して同じ流速で角速度を高めることで高効率の発電が行われるようにし、ブレード１０の先端と上部排水部３２との間に一定の間隔による速度水頭を作り、上部排水部３２の内部で展開された状態で水圧を受けるブレード２０に同じ圧力を発生させ、前記ブレード２０の３〜８個が上部排水部３２で展開された状態で回転しながら、タービン軸１１に展開されたブレード２０の数に相応する回転力を発生させて高効率の発電が行われるようにする。

前記速度水頭についてさらに詳細に説明すると、前記上部排水部３２は、タービン１０の外周部から一定の間隔を有し、ブレード２０が展開された状態で移動しながら上部排水部３２とブレード２０の先端との間に一定の間隔を維持するので、速度水頭を作ってタービン１０に回転力を与え、上部排水部３２の内部空間で各ブレード２０に同じ流量と圧力を提供するので、一つのブレード２０に加わる流量と流速によって、上部排水部３２の内部に５つのブレード２０が展開された状態で回転する場合には従来に比べて５倍の強い回転力を提供して高効率の発電を提供する。

前記上部排水部３２を通過した水は、上部排水部３２とブレード案内部３３との間である出水口３４を通過した後に抜け出し、前記出水口３４を比較的長く形成してブレード２０を通過した水の流れ方向が屈曲した後にも一直線に流れるようにし、出水口３４を抜け出した水が外部へ容易に抜け出すようにする。

前記出水口３４を介して排出される水は、出水四角管５１の四角形を通過した後、先端の出水管連結口５２から出水管５０へ排出される。

前記タービン１０は、両側のタービンカバー１６との間にパッキン２５を設置し、内部に流入した水が、純粋にタービン１０を回転させる動力源として活用された後、さらに排出され、他の部品に影響を与えないようにし、タービン軸１１は、タービン軸ブッシング１７とベアリング１８によって案内ガイド３０、３０ａに設置した状態で、安定した回転で発電が行われるようにする。

前記案内ガイド３０、３０ａの下方に両側に設置する受け台６０は、必要な位置に安定的に設置された状態を提供する。

以上、本発明の好適な実施例によって提案された詳細は、記載された内容に限定されるものではなく、当該技術分野における通常の知識を有する者が多様に変形実施し得るのは当たり前のことであり、それらの変形実施もすべて特許法が定める類似技術の範囲を外れるものではないだろう。

本発明は、流速が発生する管路の部分に設置するブレードとタービンを介して、環境にやさしいエネルギーを活用した電力を効率よく生産することができるようにする非常に有用な発明を提供する。

Claims (8)

1. 入水管（４０）が連結される入水管連結口（４１）を形成し、前記入水管連結口（４１）から入水口（３１）に連結される入水四角管（４２）と、
   前記入水四角管（４２）が連結される入水口（３１）の後ろに、上側にはブレード（２０）が展開される上部排水部（３２）を形成し、前記上部排水部（３２）の下側にはブレード（２０）が折り畳まれるブレード案内部（３３）を形成し、上部排水部（３２）から流入する水を排出する出水口（３４）を形成した一対の案内ガイド（３０、３０ａ）と、
   前記案内ガイド（３０、３０ａ）にタービン軸（１１）が貫通して設置され、外周部に一定の間隔で形成されるブレード溝（１２）の内側にはブレード（２０）の補強部（２３）が２面で結合する剛性補強溝（１３）を設置し、前記ブレード溝（１２）に固定軸（２１）が貫通するように設置するが、ブレード（２０）が折り畳まれるようにするためにブレード案内部（３３）との間隔は狭く、ブレードが流速で展開されるようにするために上部排水部との間隔は広く形成されるように配置し、両側にタービンカバー（１６）がタービン固定ネジ（１９）で固定されて案内ガイド（３０、３０ａ）の内側で回転可能に結合し、タービン軸（１１）が案内ガイド（３０、３０ａ）を貫通してベアリング（１８）で回転するようにするタービン（１０）と、
   前記ブレード溝（１２）内でタービン（１０）のタービンカバー（１６）に固定軸（２１）で連結し、水の流速で展開されながらタービン（１０）を回転させるブレード（２０）と、および、
   前記出水口（３４）に連結され、出水管（５０）が結合する出水管連結口（５２）を形成した出水四角管（５１）と、を含んでなる管路用水力発電装置において、
   前記タービン（１０）は、両側に結合するタービンカバー（１６）同士の間にパッキン（２５）を設置し、一定の間隔でブレード溝（１２）を形成してブレード（２０）が結合するように設置し、
   前記ブレード（２０）は、固定軸（２１）が貫通し、両側で遊動ブッシング（２２）によって回転可能に連結され、外側先端がブレード溝（１２）から突出し、剛性補強溝（１３）と２面で結合する補強部（２３）を有し、
   前記上部排水部（３２）および前記ブレード案内部（３３）は円弧状を有しており、
   前記入水口（３１）は、水平な状態から上方に湾曲して前記上部排水部（３２）と接続され、
   前記出水口（３４）は、前記上部排水部（３２）および前記ブレード案内部（３３）との接続部分が、上下に湾曲して広がって前記上部排水部（３２）および前記ブレード案内部（３３）と接続されており、出口側に向かって水平または広がって延伸していることを特徴とする、管路用水力発電装置。
   
   
2. 前記ブレード（２０）は、ブレード溝（１２）に位置し、貫通する固定軸（２１）に遊動ブッシング（２２）で結合し、前記固定軸（２１）の両側先端がタービンカバー（１６）と固定ベアリング（１５）で回転可能に結合することを特徴とする、請求項１に記載の管路用水力発電装置。
3. 前記案内ガイド（３０、３０ａ）は、入水四角管（４２）が連結される入水口（３１）が上側に形成されて上部排水部（３２）と連結された後に水を供給するように設置し、タービン（１０）が設置される上部排水部（３２）とブレード案内部（３３）を形成し、後方に出水口（３４）を形成することを特徴とする、請求項１に記載の管路用水力発電装置。
4. 前記入水四角管（４２）は、入水口（３１）に連結され、入水管（４０）が連結される円形の入水管連結口（４１）が形成され、前記入水管連結口（４１）の一側に四角形の内周部を有するように形成して案内ガイド（３０、３０ａ）に設置することを特徴とする、請求項１に記載の管路用水力発電装置。
5. 前記出水四角管（５１）は、出水口（３４）に連結され、出水管（５０）が連結される円形の出水管連結口（５２）が形成され、前記出水管連結口（５２）の一側に四角形の内周部を有するように形成して案内ガイド（３０、３０ａ）に設置することを特徴とする、請求項１に記載の管路用水力発電装置。
6. 前記上部排水部（３２）は、タービン（１０）の外周部から一定の間隔を有し、ブレード（２０）が展開された状態で移動し、上部排水部（３２）とブレード（２０）の先端との間に一定間隔で速度水頭を作ってタービン（１０）に回転力を与え、上部排水部（３２）の内部空間で各ブレード（２０）に同じ流量と圧力を発生させるように設置することを特徴とする、請求項１に記載の管路用水力発電装置。
7. 前記案内ガイド（３０、３０ａ）は、下方に両側に設置した受け台（６０）に結合して固定状態を維持するように形成することを特徴とする、請求項１に記載の管路用水力発電装置。
8. 前記ブレード（２０）は、タービン（１０）のブレード溝（１２）に結合し、上部排水部（３２）の水の流速で３〜８個が展開された状態で展開され、先端と上部排水部（３２）とが一定の間隔を維持して回転するように設置することを特徴とする、請求項１に記載の管路用水力発電装置。

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