KR100890635B1 - 부유식 수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 수력발전장치에 관한 것으로서, 부력에 의하여 수면에 부상하도록 설치되는 부유체와; 상기 부유체에 회전가능하게 설치되어, 유수에 의해 회전하는 복수의 블레이드를 가지며 상기 블레이드의 회전에 의해 회전력을 발생하는 수차와; 상기 수차에 연결되어, 상기 수차의 회전력에 의해 발전하는 발전기와; 상기 부유체에 지지되어, 상기 블레이드로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 스크린을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 수위 변동에 관계없이 수면에 부상한 상태에서 안정적으로 발전할 수 있다.

Description

부유식 수력발전장치{FLOAT TYPE OF HYDRAULIC POWER GENERATION APPARATUS}

본 발명은 부유식 수력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유속이 있는 하천, 강, 관개수로 등에 부유가능하게 설치된 상태에서 유수의 운동에너지를 이용하여 발전할 수 있는 부유식 수력발전장치에 관한 것이다.

일반적인 발전방법에는 수력을 이용한 수력발전, 화석연료를 이용한 화력발전, 원자력을 이용한 원자력발전 등이 있다.

이러한 발전방법들은 대규모의 발전설비와 발전설비를 가동시키기 위한 막대한 양의 에너지원을 필요로 하며 설치장소에 제약이 따른다.

특히, 화력발전에 이용되는 에너지원으로써 석유나 석탄 등의 화석연료는 타연료에 비해 그 의존도가 매우 크기 때문에 자원의 고갈과 같은 문제를 야기시킨다. 또한, 대기오염과 방사능의 유출 우려가 있어 환경 친화적이지 않다는 문제가 있으며, 동력을 발생시키기 위한 자원이 제한되어 있어 그 사용이 영구적이지 못하다는 한계를 안고 있다.

따라서, 석유나 석탄 등의 사용에 따른 자원의 고갈과 석유나 석탄 등을 연소시킴으로써 발생되는 지구온난화에 따른 각종 재해 및 각종 공해물질의 발생으로 인한 환경오염을 방지하기 위해, 최근에는 태양열, 조력, 파력, 풍력 및 수력 등의 자연에너지를 이용한 친환경적이며 영구적으로 에너지원을 활용할 수 있는 발전 방법들이 개발되어 적용되고 있다.

그 중 태양에너지 또는 풍력에너지를 전기에너지로 변환하여 전력축전지 등에 저장하는 방식의 전력생산방식은 날씨와 환경에 상당한 제약이 따른다. 그리고, 조력발전은 조수간만의 차가 심한 지역에 설치해야 전력을 얻을 수 있으므로, 지역적으로 한정된 장소에만 적용할 수밖에 없으며, 파력발전 역시 상기 조력발전과 마찬가지로 파도가 지속적으로 발생되는 한정된 장소에만 적용할 수밖에 없어 설치장소에 제약이 따르는 단점이 있다.

또한, 수력발전의 경우 방대한 양의 물이 저류되는 호수 또는 저수지를 필요로 하므로 이 역시 한정된 장소에만 적용할 수밖에 없어 설치장소에 제약이 따른다. 그러나, 수력을 이용한 발전장치는 한번 설치하면 유지비가 거의 들지 않고 전력을 안정되게 반영구적으로 얻을 수 있는 장점을 제공한다.

한편, 일반적인 형태의 수력발전장치는 높은 위치에 있는 물의 낙차를 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 얻는 방식이므로, 댐과 같은 저수시설과, 댐 아래쪽에 설치되는 발전설비와, 발전에 사용된 물을 강이나 바다로 보내기 위한 배수시설이 비교적 대규모로 건설되어야만 하는 설치상의 문제가 있었다.

또한, 종래의 수력발전장치는 저수시설에 물이 충분히 저장되지 않는 갈수기나 가뭄이 있는 경우에는 발전장치의 운전 효율이 저감되는 한계점을 갖고 있었다.

이에, 본 출원인은, 유속이 있는 하천, 강, 관개수로 등에 부유가능하게 설 치되어, 물의 흐름을 방해하지 않고 물고기의 이동 등 수중 생태계의 파괴를 방지하며, 환경 친화적이면서도 설치 장소 등의 조건에 크게 제약을 받지 않고, 수위 변동에 관계없이 저수 상태 등의 변동에 적절하게 대응하여 안정적으로 발전할 수 있는 부유식 수력발전장치를 개발하기에 이르렀다.

상기 배경기술의 문제점에서 해결하고자 하는 과제는, 본 발명에 따라, 수위 변동에 관계없이 수면에 부상한 상태에서 안정적으로 발전할 수 있는 부유식 수력발전장치를 제공하는 것이다.

상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라, 부력에 의하여 수면에 부상하도록 설치되는 부유체와; 상기 부유체에 회전가능하게 설치되어, 유수에 의해 회전하는 복수의 블레이드를 가지며 상기 블레이드의 회전에 의해 회전력을 발생하는 수차와; 상기 수차에 연결되어, 상기 수차의 회전력에 의해 발전하는 발전기와; 상기 부유체에 지지되어, 상기 블레이드로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 수력발전장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 스크린에 걸러진 이물질을 감지하는 이물질 감지센서와; 상기 이물질 감지센서의 신호에 의거하여, 상기 스크린에 걸러진 이물질을 제거하여 상기 유수의 하류로 배출시키는 이물질 제거 컨베이어를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 유수의 상류측으로부터 상기 유수의 하류측을 향해 상기 수차를 부분적 으로 둘러싸도록 설치되어, 상기 유수의 상류측으로부터 상기 블레이드로 유입되는 바람을 차단하는 방풍막을 더 포함함으로써, 유수에 의한 수차의 회전에 바람에 의한 영향을 줄일 수 있게 되어, 안정적으로 수차를 회전시킬 수 있게 된다.

상기 부유체에는 지면을 따라 이동하는 바퀴가 장착되는 바퀴장착부가 마련될 수 있다.

상기 부유체의 양측에 각각 위치하여, 상기 유수의 유동방향에 따라 상기 부유체의 위치를 조정하는 한 쌍의 프로펠러와; 상기 각 프로펠러를 회전시키는 프로펠러 구동부를 포함할 수 있다.

상기 스크린의 일측에 마련되어, 상기 유수의 유동방향에 따라 상기 부유체의 위치를 조정하는 키를 더 포함할 수 있다.

상기 부유체는 상기 수차의 최하단부에 위치하는 블레이드의 적어도 일 영역이 수면에 잠기도록 상기 수차를 수면에 부유시키는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 과제의 해결 수단에 따르면, 수위 변동에 관계없이 수면에 부상한 상태에서 안정적으로 발전할 수 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치가 도시되어 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치는 부력에 의하여 수면에 부상하도록 설치되는 한 쌍의 부유체(11)를 가진다.

한 쌍의 부유체(11)는 소정의 간격을 두고 나란하게 대향 배치되어 있다. 부유체(11)는 부유시키기 위한 부력을 충분히 형성하기 위해 FRP(fiber glass reinforced plastic) 재질로 이루어지며, 파손시 부력의 손실을 최소화하도록 내부에 발포 스티로폼이 주입되어 있다. 부유체(11)는 후술할 수차(21)의 최하단부에 위치하는 블레이드(29)의 적어도 일 영역이 수면에 잠기도록 수면에 부상되어 있다. 한 쌍의 부유체(11)는 연결 브래킷(15)에 의해 상호 연결되어 있다.

여기서, 부유체(11)는 유수의 저항을 줄일 수 있도록 유선형상을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 부유체(11)는 유수에 의해 유수의 상류로부터 하류로 이동하지 않도록 닻이 연결되어 있는 것이 바람직하다.

한 쌍의 부유체(11) 사이에는 물의 유동에 의해 회전하여 회전력을 발생하는 수차(21)가 배치되고, 수차(21)는 각 부유체(11)에 회전가능하게 설치되어 있다.

수차(21)는 회전축(23)과, 회전축(23)의 축선에 대해 동심을 이루며 배치되는 내륜(25) 및 외륜(27)과, 유수에 의해 회전하는 복수의 블레이드(29)를 가진다.

내륜(25)의 외주에는 복수의 블레이드(29)가 방사상으로 등간격으로 장착되어 있다. 블레이드(29)는, 도시되어 있지 않지만, 내륜(25)의 외주를 따라 등간격으로 형성된 복수의 착탈홈(25a)에 착탈된다. 여기서, 내륜(25)에 장착되는 블레이드(29)의 개수는 유수의 유속에 따라 조절할 수 있다.

외륜(27)은 내륜(25)의 외주를 따라 이격 배치되어, 블레이드(29)의 선단부를 고정한다.

한편, 내륜(25)에 착탈되는 블레이드(29)는 판형상을 가지고, 블레이드(29) 의 선단부는 소정의 곡률반경을 가지며 만곡 형성되어 있으며, 이에 블레이드(29)로 유입되는 유수는 블레이드(29) 판면에 충돌하여 블레이드(29)에 양력을 발생하고, 이 양력에 의해 블레이드(29)는 회전하여 회전축(23)을 회전시킨다.

여기서, 수차(21)는 내부식성이 강하고 내구강도가 우수한 스테인레스 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

수차(21)의 일측에는 수차(21)의 회전력에 의해 발전하는 발전기(31)가 마련되어 있다. 수차(21)의 회전축(23)의 일단부는 발전기(31)의 축과 동력전달장치(미도시)에 의해 연결되어 있다. 발전기(31)는 일측 부유체(11)의 상부에 침수되지 않도록 마련되며, 수차(21)의 회전력을 부속된 증속장치를 통하여 정격회전수로 증속시켜 발전한다.

한편, 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치는 블레이드(29)로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 스크린(35)을 가진다. 스크린(35)은 유수의 저항을 줄이고 일정 크기 이상의 이물질을 걸러낼 수 있도록 그물망의 형상을 가지며, 한 쌍의 부유체(11) 사이의 하부 영역 및 양측부 영역에 걸쳐 설치되며 부유체(11)에 지지된다. 특히, 유수의 상류측 및 하류측을 향하는 스크린(35)의 양측부는 수면에 대해 경사지게 설치되어 있다. 이에, 유수를 따라 유동하는 폐목, 나뭇가지 등이 블레이드(29)로 유입되어 블레이드(29)가 파손되는 것을 방지하여, 안정적으로 발전할 수 있게 된다.

또한, 유수의 상류측을 향하는 스크린(35)의 중앙영역에는 스크린(35)에 걸러진 이물질을 감지하는 이물질 감지센서(41)가 마련되어 있다. 이물질 감지센 서(41)는 기계식 막대 스위치, 광센서 중 어느 하나가 적용되는 것이 바람직하다. 이물질 감지센서(41)의 감지신호는 후술할 콘트롤 박스(71)에 내장된 제어부(미도시)에 전송된다.

이물질 감지센서(41)의 양측에는, 이물질 감지센서(41)의 신호에 의거하여 스크린(35)에 걸러진 이물질을 제거하여 유수의 하류로 배출시키는 이물질 제거 컨베이어(43)가 마련되어 있다.

이물질 제거 컨베이어(43)는 한 쌍의 롤러(45)와, 한 쌍의 롤러(45)를 연결하며 무한궤도를 형성하는 벨트(47)와, 롤러(45)를 구동하는 구동모터(미도시)를 가지며, 수면에 대해 경사지게, 즉 스크린(35)의 평면에 대해 평행하게 스크린(35)에 지지되어 있다.

벨트(47)에는 스크린(35)에 걸러진 이물질을 스크린(35)으로부터 분리시키기 위한 복수의 버킷플레이트(48)가 장착되어 있다.

구동모터는 이물질 감지센서(41)의 감지신호에 따른 제어부의 작동신호에 의거하여, 설정된 시간 동안 작동한다. 여기서, 구동모터는 발전기(31)의 전압의 변화가 발생하면 이물질 감지센서(41)의 감지유무에 관계없이 작동할 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치는 유수의 상류측으로부터 블레이드(29)로 유입되는 바람을 차단하는 방풍막(51)을 가진다. 방풍막(51)은 유수의 상류측으로부터 유수의 하류측을 향해 수차(21)를 부분적으로 둘러싸며 설치되어 있다. 이에, 수차(21)의 회전시 바람에 의한 영향을 줄일 수 있게 되어, 수차(21)는 안정적으로 회전할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치는, 부유체(11)의 양측에 각각 위치하여 유수의 유동방향에 따라 부유체(11)의 위치를 조정하는 한 쌍의 프로펠러(55)와, 각 프로펠러(55)를 회전시키는 프로펠러 구동부(57)를 가진다.

그리고, 유수의 하류측에 위치하는 스크린(35)의 중앙에는, 유수의 유동방향에 따라 부유체(11)의 위치를 조정할 수 있는 키(61)가 마련되어 있다.

이와 같이, 프로펠러(55) 또는 키(61)를 조작하여, 수면에 부유된 부유체(11)를 유수의 유동방향을 따라 간편하게 조절할 수 있게 된다.

그리고, 부유체(11)의 하부에는, 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치를 육상에서 용이하게 이동시킬 수 있도록, 지면을 따라 이동하는 바퀴가 장착되는 바퀴장착부(65)가 마련되어 있다.

여기서, 미설명된 참조부호 71은 콘트롤 박스이며, 부유체(11)의 상부 일측에 마련된다. 콘트롤 박스(71)에는 이물질 감지센서(41)의 감지신호에 의거하여 구동모터의 작동을 제어하고, 유수의 유동방향에 따라 프로펠러 구동부(57)와 키(61)의 작동을 제어하는 제어부가 내장되어 있다. 또한, 콘트롤 박스(71)에는 발전상황 및 이상 유무를 유무선으로 알려주는 장치와, 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치의 이동을 감시할 수 있는 GPS(global positioning system)가 내장되어 있다.

이러한 구성에 의하여, 하천 등과 같은 물이 흐르는 장소에 블레이드(29)가 유수의 유동방향을 향하도록 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치를 설치한다. 이 때, 부유체(11)의 부력에 의해 부유식 수력발전장치는 수면에 부상하게 된다.

유수의 상류측으로부터 유수가 블레이드(29)로 유입되면, 블레이드(29)로 유입된 유수는 블레이드(29)의 판면에 충돌하여 유수의 운동에너지를 블레이드(29)로 전달하고, 블레이드(29)는 회전한다.

블레이드(29)가 회전함에 따라 수차(21)에는 회전력이 발생하고, 수차(21)의 회전력은 발전기(31)로 전달되어, 발전기(31)는 전력을 생산한다.

한편, 발전기(31)의 발전 도중, 이물질 감지센서(41)에 의해 스크린(35)에 걸러진 이물질이 감지되면, 이물질 제거 컨베이어(43)가 구동하고, 이에 스크린(35)에 걸러진 이물질은 스크린(35)으로부터 분리되어 유수의 흐름을 따라 유수의 하류측으로 배출된다.

이상과 같이, 유수에 의해 회전하는 복수의 블레이드를 가지며 회전력을 발생하는 수차와 수차의 회전력에 의해 발전하는 발전기와, 블레이드로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 스크린을 수면에 부상하는 부유체에 마련함으로써, 수위 변동에 관계없이 수면에 부상한 상태에서 안정적으로 발전할 수 있게 된다.

한편, 전술한 실시예에서는 발전기가 수차의 일측에만 마련되는 것으로 설명하고 있지만, 발전기는 수차의 양측에 설치될 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치는 복수의 부유식 수력발전장치를 병렬 또는 직렬로 설치하여, 발전용량을 증대시킬 수도 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위 를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 부유식 수력발전장치의 개략적인 정면도,

도 2는 도 1의 일 측면도이다.

＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＊

11 : 부유체 21 : 수차

29 : 블레이드 31 : 발전기

35 : 스크린 41 : 이물질 감지센서

43 : 이물질 제거 컨베이어 51 : 방풍막

55 : 프로펠러 57 : 프로펠러 구동부

61 : 키 65 : 바퀴장착부

Claims (7)

1. 부력에 의하여 수면에 부상하도록 설치되는 부유체와;

   상기 부유체에 회전가능하게 설치되어, 유수에 의해 회전하는 복수의 블레이드를 가지며 상기 블레이드의 회전에 의해 회전력을 발생하는 수차와;

   상기 수차에 연결되어, 상기 수차의 회전력에 의해 발전하는 발전기와;

   상기 부유체에 지지되어, 상기 블레이드로 이물질이 유입되는 것을 방지하는 스크린과;

   상기 부유체의 양측에 각각 위치하여, 상기 유수의 유동방향에 따라 상기 부유체의 위치를 조정하는 한 쌍의 프로펠러와;

   상기 각 프로펠러를 회전시키는 프로펠러 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 수력발전장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스크린에 걸러진 이물질을 감지하는 이물질 감지센서와;

   상기 이물질 감지센서의 신호에 의거하여, 상기 스크린에 걸러진 이물질을 제거하여 상기 유수의 하류로 배출시키는 이물질 제거 컨베이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 수력발전장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 유수의 상류측으로부터 상기 유수의 하류측을 향해 상기 수차를 부분적으로 둘러싸도록 설치되어, 상기 유수의 상류측으로부터 상기 블레이드로 유입되는 바람을 차단하는 방풍막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 수력발전장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 부유체에는 지면을 따라 이동하는 바퀴가 장착되는 바퀴장착부가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 부유식 수력발전장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 스크린의 일측에 마련되어, 상기 유수의 유동방향에 따라 상기 부유체의 위치를 조정하는 키를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 수력발전장치.
7. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 부유체는 상기 수차의 최하단부에 위치하는 블레이드의 적어도 일 영역이 수면에 잠기도록 상기 수차를 수면에 부유시키는 것을 특징으로 하는 부유식 수력발전장치.

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