KR100951025B1 - 수력발전시스템 2 - Google Patents

Abstract

수차의 회전력은 수차의 중심에서 따졌을시 왼쪽이던 오른쪽이던 어느 한쪽의 물받이에 실리는 물이 중력의 영향으로 밑으로 낙하하면서 그 힘이 회전력으로 바뀐 것이다.

본 발명은 수차의 회전력에 영향을 미치는 물받이에 실리는 그런 물의 무게를 최대화해서 수차의 회전력을 수배에서 수십 배 극대화해서 그 회전력을 발전에 이용하는 것이다.

컨베어벨트라는 것이 있다.

이 컨베이어 벨트라는 것은 두 개의 일정거리 떨어져 있는 길쭉한 원통에 넓은 무한궤도 형태의 벨트를 감싸 씌워 그 두 개의 원통 중의 한 원통에 전동장치를 해서 벨트를 회전을 시키고 그 벨트의 윗면에 물건을 올려놓아 그 물건을 다른 장소로 이동을 시키는 장치이다.

본 발명은 큰 의미로 봤을 때 그 컨베이어벨트의 원리가 역 이용되어 만들어진 발전방법이라 볼 수 있다.

즉 두 개의 길고 큰 원통형 회전체를 컨베이어벨트와는 달리 수직으로 아래위로 두 개를 설치하고 그 원통에 수차에 있어서의 물받이 같은 것이 쭉 많이 달려 있는 무한궤도 형태의 벨트를 두 원통에 씌우고 두 원통 중의 위쪽이던 아래쪽이던 어느 한쪽의 원통형 회전체 양단에 수차에서 생기는 회전력을 다른 곳으로 전달할 수 있는 장치를 달아 그 장치로 회전력을 주동력 샤프트로 전달한 다음 기어 비를 이용 회전수를 조절하고 그런 다음 발전기로 연결을 해서 발전을 한다는 것이다.

다시 말해서 컨베이어벨트처럼 생긴 수차의 벨트형 물받이 한 쪽에 실리는 물의 총 무게를 이용해서 회전력을 얻는다는 것으로 낙차에 따라 다르겠지만 일반적인 물레방아형 수차의 몇 배의 회전력을 얻을 수 있다.

이 방식은 그리 수량이 많지 않고 낙차는 큰 산간지방의 계곡에서 흘러내려 오는 물을 이용해서 발전을 하기 좋은 방식으로 2~3기를 같이 설치해서 물의 양에 따라 주동력샤프트를 분리하거나 연결하는 방식으로 해서 발전량을 달리할 수도 있다.

결론적으로 본 발명은 구조가 간단하고 설치비 저렴하고 효율성이 좋기 때문에 물의 양이 적은 곳에서는 아주 적합한 수력발전 방법이라는 것이다.

벨트형 물받이, 상부원통형 회전체, 하부원통형 회전체, 간격조정대, 동력전달벨트, 주동력샤프트, 장력조절기, 수차폴리, 물받이 차단벽

Description

수력발전시스템 2{A SYSTEM FOR GENERATION OF HYDROELECTRIC POWER 2}

도 1은 본 발명에 따른 수력발전시스템을 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 수력발전시스템의 단면도

도 3은 본 발명에 따른 수력발전시스템의 측면도

도 4는 본 발명에 따른 수력발전시스템을 나타내는 평면도

도 5는 본 발명에 따른 수력발전시스템의 정면에서 바라본 정면도

도 6은 본 발명에 따른 수력발전시스템에서 그 구성품 중의 상, 하부회전체와 벨트 형 물받이를 나타낸 사시도

도 7은 본 발명에 따른 수력발전시스템에서 그 구성품 중의 하나인 물받이 간격조정대를 나타낸 사시도

도 8은 본 발명에 따른 수력발전시스템에서 그 구성품 중의 하나인 물받이 차단벽을 앞, 뒤로 나타낸 사시도

도 9는 본 발명에 따른 수력발전시스템에서 동력이 얻어지는 과정을 나타낸 동력전달계통 사시도

도 10은 본 발명에 따른 수력발전시스템에서 중요 부품 중의 하나인 벨트형 수차의 탄생과정을 설명하기 위한 참조도

(003) : 기존수차의 형상과 회전력의 크기라고 할 수 있는 물의 양

(004) : 기존수차를 물받이와 회전체로 분리해 놓은 모습

(005) : 두 개의 회전체와 무한궤도 형태의 물받이로 수차를 만들어 놓은 모습과 회전력의 크기라 할 수 있는 물의 양

(006) : 회전력의 크기라 할 있는 물의 양을 극대화한 벨트형 수차의 모습

도 11은 벨트형물받이의 중간 부분 상세도와 독립된 여러 개의 물받이가 모여
1열의 물받이가 되는 모양
도 12는 하부원통형회전체의 완성도와 분해도, 평면도
도 13은 벨트형물받이가 움직이고 있을 시의 직선부의 모습과 곡선부의 모습

도면의 중요부분들에 대한 부호의 설명*

01 : 벨트형 물받이. 01-1 : 벨트형물받이 옆판 03 : 상부원통형회전체. 05 : 하부원통형회전체. 05-1 : 원통형회전체 05-2 : 중간띄움칸
05-3 : 물차단막 07 : 간격조정대. 09 : 제1동력전달벨트.

11 : 제2동력전달벨트 13 : 배수구. 15 : 하부회전체받침기둥.

17 : 주동력샤프트. 19 : 발전기.

23 : 장력조절기. 29 : 수로 29-1 : 수차수로

31 : 대형폴리 33 : 물받이차단벽 33-1 :물받이 확장차단벽
33-2 : 물받이차단벽옆판 33-3 : 물받이차단벽지지대 35 : 주동력샤프트폴리

2 : 가로보 3 : 오른쪽 세로보 4 : 왼쪽 세로보

41 : 상부회전중심축 42: 하부회전중심축 50 : 벨트

수력발전이란 높은 곳에 위치한 물의 위치에너지를 수차 등을 이용해서 회전력으로 바꾸고 그 회전력을 이용 발전을 해서 전기에너지를 얻는 방식을 말하는 것이다.

높은 곳에 위치한 물의 위치에너지를 이용하는 방법은 여러 가지 있지만 그 중의 한가지가 수차를 이용해서 높은 곳에 위치한 물을 낮은 곳으로 직접 이동을 시키면서 회전력을 얻는 방식인데 이 방식은 이용도가 아주 낮아서 겨우 물레방아 같은 종류로나 이용이 되고 있다.

본 발명은 그동안 별로 활용되지 못했다고 하는 수차를 이용한 그런 물레방아 방식을 차용한 것으로 기존의 물레방아 방식이 가지고 있던 효율성이 낮다는 단점을 보완해서 그 효율성을 극대화하고 물이 가진 위치에너지를 중력이라는 이름으로 직접적으로 이용한다는 점을 부각시켜 그 점을 장점화 했다.

회전하고 있는 수차에서 그 회전력에 영향을 미치는 부분은 수차의 중심에서 좌측이던 우측이던 어느 한쪽의 상 단면 즉 물받이라고 하는 물이 실리게 되는 부분이 전부인데 각도 상 약 90도 정도이고 수차전체로 봤을 때는 약 4분의 1 정도이다.

그렇지만, 엄밀하게 따져보면 수차의 물받이라는 그릇에는 물이 수평으로만 담기기 때문에 수차에 실리는 물이 수차의 회전력에 미치는 영향도 각도 상의 90도니 수차의 4분의 1이니 하는 그런 수치보다는 훨씬 떨어진다.

때문에 원론적인 의미에서의 물레방아 방식은 에너지를 얻기 위한 방식으로는 가치가 별로 없다 (도 9의 003그림.)

때문에 본 발명은 그런 기존의 물레방아 방식에서 몇 가지 점에서 차별화를 했다.

첫째 일반적으로 수차라고 하면 수차의 회전력에 영향을 미치는 물받이가 수차라는 회전체와 일체화가 되어있는 형상인데 본 발명에서는 필요에 의해서 수차를 안쪽부분에 해당하는 회전체라는 것과 바깥쪽에 해당하는 물받이라는 두 부분으로 분리를 했다(도 9의 004 그림).

즉 안쪽에 해당하는 원통형 회전체라는 것과 바깥쪽에 해당하는 벨트형 물받이라는 것으로 따로 떨어질 수도 있고 따로 움직일 수도 있게 했다는 것이다.

둘째 수차에서 얻을 수 있는 회전력의 크기는 수차의 중심에서 어느 한쪽의 물받이에 실리는 물의 양이 얼마나 되느냐 하는 것으로 그 한쪽의 수차에 실리는 물의 양을 늘리는 것이 곧 수차의 회전력을 크게 하는 것이라 할 수 있다.

그런데 기존의 수차는 같은 지름 내에서의 수차에 실리는 물의 양을 늘리는 것이 한계가 있었다.

그렇지만, 본 발명에서는 수차의 회전력을 크게 한다는 수차에 실리는 물의 양을 늘리는 것이 얼마든지 가능하다.

즉 원통형 회전체를 위와 아래로 수직으로 일정거리를 두고 설치를 해서 그 두 회전체를 물받이가 횡으로 일정한 간격으로 달려 있는 벨트 같은 것으로 두 회전체를 감싸 씌우듯이 해 놓으면 그 벨트 같은 물받이의 한쪽에 실리는 모든 물의 무게가 다 수차의 회전력에 영양을 미치게 된다는 것으로 두 원통형 회전체의 거리가 길어지거나 낙차가 커질수록 벨트형 물받이의 개수는 많아지고 벨트형 물받이의 개수가 많아질수록 벨트형 물받이에 실리는 물의 양은 많아지고 벨트형 물받이에 실리는 물의 양이 많아질수록 수차의 회전력도 커진다는 것이다.

결론적으로 기존의 수차를 본 발명에서처럼 원통형 회전체와 벨트형 물받이로 따로 분리를 하면 수차에 실리는 물의 양은 얼마든지 많게 할 수 있다는 것으로 변수인 낙차만 크다면 수차의 회전력에 영향을 미치는 수차에 실리는 물의 양도 얼마든지 증가시킬 수가 있다는 것이다. (도 9의 005 그림)

셋째 물받이에 실리는 물의 양을 많게 하기 위해서 물받이를 벨트형으로 변형을 시켜서 밑으로 길게 늘이는 것은 실제 낙차의 크기에 따라 수차의 회전력에 엄청난 영향력을 더하는 것이 사실이다.

그렇지만, 벨트형 물받이를 길게 늘여서 물을 많이 담고자 하는 방법이 완전하다 또 완벽하다 할 수는 없는데 그 이유는 물받이에 담기는 물은 수평으로만 담기기 때문에 물이 담겨지지 않는 빈 공간이 물받이와 물받이 사이에 많이 생기게 된다는 것이다.

위쪽의 원통형 회전체 부분 즉 기존의 수차부분에 해당하는 부분은 기존 수차의 물받이와 물이 담겨지는 용량이 별 차이가 있을 수가 없다.

그렇지만, 기존 수차에 더해져서 밑으로 길게 드리워져서 늘어나게 되는 벨트형 물받이 부분에서는 위 물받이와 아래 물받이 사이에 물이 수평으로만 담겨지기 때문에 상당부분 빈 공간이 생기게 된다.

위 물받이와 아래 물받이 사이에 생기는 그 빈 공간에까지 물을 가득 채울 수 있다면 그것은 결국 벨트형 수차의 물받이에 실리는 물의 양이 많아진다는 얘기가 되고 벨트형 물받이에 실리는 물의 양이 많아진다는 것은 곧 벨트형 수차의 회전력이 커진다는 얘기가 되고 그 얘기는 결국 그만큼 물이 가지고 있는 위치에너지를 이용하는 효율성이 높아진다는 것을 의미하는 것이기도 하다.

때문에 벨트형 수차의 아래 위의 물받이 사이에 생기게 되는 빈 공간까지도 가능한 한 물을 가득 채우는 것이 바람직하다 하겠다.

해서 본 발명에서는 길게 밑으로 드리워져 있는 벨트형 물받이 외곽에 바로 근접해 서 물받이에 빈 공간 없이 물이 가득가득 실릴 수 있도록 수차의 제일 위 상단부분 높이에서부터 낙차가 끝나는 하부원통형 회전체에 이르는 부분까지 일종의 벽이라 할 수 있는 물받이 차단벽을 대어서 물받이마다 생기게 되는 공간까지도 물을 실을 수 있도록 하였다.

즉 수차의 물받이에 물이 실릴 때 물받이에 수평 이상의 물이 담겨도 쏟아지지 못하도록 차단벽을 벨트형 수차의 물받이에 근접되게 위에서부터 아래까지 전부 설치를 해서 벨트형 물받이에 실리는 물이 전혀 밖으로 흘러 넘치지 못하도록 했다는 것이다.

그렇게 했을 경우 아래위로 길게 드리워져 있는 기다란 벨트형 물받이에는 제일 위의 첫 칸부터 제일 끝의 마지막 칸까지 모든 칸이 빈공간 없이 물이 꽉 찬 상태로 그 하중을 밑으로 전달하게 되어 물받이에 수평으로만 물이 담겨져서 물받이와 물받이 사이에 빈공간이 생기게 되는 단점은 없어지게 되고 자연 기존수차에 더해져서 늘어나게 되는 모든 벨트형 물받이 부분에도 물이 다 차게 되어 그렇게 더 차게 되는 물의 양만큼 수차의 회전력이 더 커지게 되었다는 것이다.

(도 9의 006 그림)

그 외에도 본 발명을 기존의 수력발전과 비교를 하면 다음과 같은 몇 가지 차이점이 더 있다.

기존의 수력발전 방법은 물이 가지고 있는 위치에너지가 이용되는 정도가 아주 순간적인데 비해 본 발명 안은 그 이용 시간이 낙차의 크기가 커지는 만큼 길어진다.

기존 수력발전에서는 대부분 높은 수압을 가지고 있는 물을 노즐을 이용해서 수차 로 빨리 쏘거나 많은 량의 물로 수차의 날개를 힘으로 밀어붙여 수차를 돌리는데 이때 물이 수차의 날개에 미치는 영향은 수차의 중심에서 따졌을 시 각도 상으로도 얼마 되지 않고 시간상으로도 수차의 회전 속도가 빠르기 때문에 그 시간도 아주 순간적이었다.

그렇지만, 본 발명에 의한 물이 가진 위치에너지가 이용되는 시간은 처음 벨트형 수차의 물받이에 물이 실리면서부터 수차가 회전을 하고 수차에 실린 물이 밑으로 낙하하고 물받이에서 물이 떨어질 때까지 낙차가 크면 클수록 벨트형 수차의 길이가 길면 길수록 벨트형 물받이에 실린 물이 수차의 회전력에 미치는 시간은 길어지고 중첩된다는 것으로 그만큼 수차에 실리는 물이 가진 위치에너지의 이용이 극대화된 것이다.

-수차의 회전력에 미치는 영향도 질이 틀린다.

기존의 수차는 반동 식이던 충동 식이던 물을 얼마나 많은 량으로, 얼마나 강하고 빠른 속도로 쏘느냐에 따라 수차의 회전력이나 속도가 영향을 받았다. 그렇다는 얘기는 기존 수차의 회전력은 물이 수차의 날개를 밀거나 치는 반탄력이라는 것이다.

그렇지만, 본 발명에서의 수차의 회전력은 기존의 수차가 받게 되는 반탄력과는 그 개념이 전혀 틀린다.

본 발명에서의 벨트형 수차에서 얻어지는 회전력은 오로지 중력에 의해서만 발생이 되는 것으로 벨트형 물받이에 실리는 물의 양이, 물의 무게가 얼마나 되느냐 하는 점이 곧 회전력의 크기로 결정이 된다는 것이다.

-수차의 날개에 영향력을 행사하고 난 다음의 물의 처지가 다르다.

기존 수력발전소의 대부분은 수차의 날개에 영향력을 행사하고 난 다음의 물이 빠져나가야 할 배수로는 그 길이가 상당히 길거나 그 위치가 수중에 있다.

이 이야기는 수차의 날개에 영향력을 행사하고 난 물은 반드시 뒤를 따르는, 아직 수차의 날개에 영향력을 행사하지 못한, 아직 위치에너지를 가지고 있는 물이 자신의 위치에너지를 일정부분 소모시켜가면서 배수로 바깥으로 밀어내주어야 하는 방해물로 순간적으로 그 처지가 틀려진다는 것이다.

그렇지만 본 발명에 따른 수력발전의 방법은 수차에 실린 물이 수차에서 내려지는 그 순간 수차와는 아무런 상관이 없는 처지가 된다는 것으로 기존 수력발전에서 나타나는 수차에 아직 영향력을 행사하지 못한 물이 가지고 있는 위치에너지를 감소시키는 그런 요소는 전혀 없다는 것이다.

기존의 수력발전에 있어서 가장 중요한 역할을 하는 것은 수차라는 것으로 이 수차라는 것을 어떤 식으로 운용을 해서 발전에 필요한 회전력을 얻는가에 따라 크게 충동수차 방식과 반동 수차방식으로 분류가 되는데 기존의 수력발전은 대부분 이 두 가지 방식에 의해서 발전을 했다.

충동 수차방식에는 펠턴 수차 방식이 있고 반동 수차방식에는 프란시스 수차 방식

사류수차방식, 프로펠러 수차방식이 있는데 펠턴수차방식은 주로 고 낙차 즉 300M 이상에 적합한 방식이고 반동 수차방식은 중낙차에서부터 저 낙차에서 주로 사용을 하는데 우리나라의 수력발전방식은 대부분 반동 수차방식에 의한다 할 수 있다.

충동 수차방식이란 수차의 날개에 낙차에 의해서든 수압에 의해서든 높은 압력이 있는 물을 노즐을 통해 빠르게 쏘아 수차의 날개를 강하게 때려서 수차를 회전시키 는 방식이고, 반동 수차방식이란 대각선으로 비스듬하게 놓여져 있는 수차의 날개에 물을 빠르게 흘려보내 수차의 날개를 옆으로 밀어 수차를 회전시키는 방식으로 특징에 따라 적절히 사용이 되고 있는데 본 발명은 기존의 그런 수력발전의 방법과는 확연하게 구분이 된다.

본 발명은 기존 수력발전시스템이 가지고 있는 문제점을 보완하기 위한 것으로 그 목적은 비교적 적은 수량과 낙차에서도 물이 가지고 있는 위치에너지의 이용을 극대화해서 동일한 수량과 낙차에서도 보다 많은 발전량을 얻을 수 있도록 새로운 수력발전시스템을 제공하는 것이다.

계곡에서 흘러내려 오는 물을 가로막아 놓은 곳으로부터 낙차가 커질 때까지 산허리 쪽으로 길게 이어지는 수로와;

계곡에서 흘러내려 오는 물을 가로막아 놓은 곳으로부터 낙차가 커질 때까지 산허리 쪽으로 길게 이어져서 발전소의 상부면 수차 위까지 이어지는 주수로와 수차수로(29)와;

상기 수로가 끝나는 발전소의 상부 면에서 수로의 오른쪽과 왼쪽이 대칭이 되도록 벨트형수차의 회전중심축이 설치 가능한 너비로 일정한 간격을 유지한 채 일직선으로 설치가 되는 세 개씩의 오른쪽 기둥열과 왼쪽 기둥열과;

상기 기둥들 중 수차의 회전중심축이 위에 설치될 수 있는 높이에 같은 열의 기둥과 기둥 사이를 가로질러 수평으로 설치가 되는 수로의 왼쪽에 있는 왼쪽세로보(4)와 오른쪽에 있는 오른쪽 세로보(3)와

상기 여러 가로기둥들 중 2번과 3번, 2-1번과 3-1번 사이의 가로 기둥 위를 가로질러 설치가 되는 제자리 회전가능한 상부 회전중심축(41)과;

상기 회전중심축의 수직 하 방향에 위치한 받침기둥(15)들 위를 가로질러 제자리 회전가능하게 설치가 되는 하부 회전중심축(42)과;

하부 회전중심축의 가운데 부분에 벨트형물받이(01)와 너비가 같은 원통형회전체(05-1)가 일체형으로 위치하고 그 양단에 원통형회전체의 반경보다 10~20cm 정도 적은 반경을 가진 두께 20cm 정도의 중간띄움칸(05-2)이 위치하고 다시 그 양단에 중간 띄음칸보다 반경 이 60~80cm 정도 더 큰 물차단막(05-3)이 위치하고 다시 그 양단에 수차 외부로 동력을 전달하기 위한 장치인 대형폴리(31)가 전체적으로 일체가 되어있는 하부 원통형회전체(03)와;
하부 원통형회전체의 가운데 부분에 위치하고 있는 반경이 중간 띄움칸보다 20~30cm 정도 더 큰 단순한 형태의 원통형회전체에서나 그 원통형회전체에 감겨 회전하고 있는 벨트형 물받이에서 흘러나오거나 떨어진 물은 원심력을 가지고 있는 것으로 그보다 반경이 작은 중간띄움칸 쪽으로는 원리상 흐르지 못하지만 어쩌다 중간띄움칸으로 떨어진 물이 있다 하더라도 그 물을 다시 한번 완벽히 차단하기 위해서 두께를 5mm이하로 하고 반경을 벨트형물받이 외곽의 크기보다 20~30cm 정도 크게 해서 벨트형물받이에서 흘러나온 물이나 중간띄움칸 쪽에서 흘러나온 물이 다른 곳으로 동력을 전달해야 하는 대형폴리로 가지못하게 하기 위해서 하부 원통형회전체의 중간띄움칸 양단에 하부 원통형회전체와 일체가 되도록 설치를 하는 물차단막(05-3)과;

상기 상부 회전중심축과 단순한 형태의 원통형회전체가 일체가 되어 움직이도록 되어 있는, 벨트형 물받이와 벨트형 물받이에 실리는 물의 무게까지 감당하도록 되어 있는 상부 원통형 회전체(03)와;

상기 상, 하 두 원통형회전체를 같은 너비로 감싸면서 외부에 횡 방향으로 일정한 간격으로 물받이가 달려 있는 무한궤도 형태의 벨트형 물받이(01)와;

물받이에 실려 있는 물이 쏟아지지 못하도록 벨트형물받이의 너비보다 1cm 정도 넓은 너비를 가진 평면판을 벨트형물받이의 전면에 양쪽 가장자리에 각각 5mm씩 나오도록 5mm 이내로 근접되게 설치를 하고 그 물받이 차단벽의 윗부분에는 물받이확장차단벽이 이어지고 옆으로는 물받이차단벽옆판이 직각으로 이어져 있는 물받이 차단벽과 물받이확장차단벽, 물받이옆판이 하나 되어 물받이 차단벽지지대에 의지한 체 수차의 회전력을 크게 하는 물받이 차단벽(33)과;
벨트형물받이의 전면에 5mm이내로 근접 설치되는 물받이 차단벽의 윗부분에 벨트형물받이의 곡선부와 반대되는 쪽 45도 상 방향으로 1m 정도를 물받이차단벽과 같은 너비의 평면판으로 이어지고 그 평면판 제일 윗부분에서 다시 수직으로 수차수로의 제일 높은 부분과 수평이 되는 부분까지 설치되는, 수로에서 흘러내려 벨트형물받이로 다 내려가지 못한 물이 잠시 머물 수 있는 여유공간을 형성하기 위한 물받이 확장차단벽(33-1)과;
수차 위쪽, 수로의 최상단높이에서부터 곡선부를 이루고 있는 물이 실리는 벨트형 물받이옆판을 5mm 이내로 근접되게 덮으면서 벨트형물받이 맞은편에 있는 물받이 확장차단벽까지 골짜기를 가로막으며 직각으로 이어지는 상부물받이차단벽과 그 상부물받이차단벽옆판의 하부와 연결이 되게 되는, 수직선 상태로 움직여지고 있는 벨트형물받이옆판을 너비가 벨트형물받이의 두께보다 5mm정도 넓은 직사각형의 평면판으로 5mm이내로 근접되게 덮으면서 벨트형 물받이옆판의 가장자리보다 5mm 정도 옆으로 더 나온 물받이차단벽의 양쪽 가장자리와 직각으로 이어지는 상부,하부물받이 차단벽옆판이 하나로 연결되어 있는 벨트형물받이 옆판과의 사이에서 새는 물을 최소화하는 물받이 차단벽옆판(33-2)과;

물받이차단벽과 물받이 확장차단벽 그리고 물받이 차단벽옆판은 위와 옆으로 서로 연결이 되어 있는 하나의 부품으로, 부품의 모양이나 형태 유지, 하중을 지탱하고
벨트형물받이의 교체나 수리시 벨트형물받이로부터 5mm~1m이내로 붙였다 떼었다 간
격조정이 가능하도록 전동장치가 달려있는 물받이 차단벽지지대(33-3)와;

벨트형 물받이가 물받이에 실리게 되는 물의 무게로 뒤쪽으로 밀리게 되는 것을 방지하기 위해서 물이 실리게 되는 쪽과 반대편인 벨트형물받이의 뒷부분을 롤러형태의 회전체가 가로세로 일정한 간격으로 달린 채 같이 움직여서 벨트형물받이가 물받이 차단벽과의 간격이 일정하게 유지되도록 해 주는 물받이 간격조정대(07)와;

하부원통형 회전체와 일정거리 이격된 위치에 하부원통형 회전체의 중심축과 평형 되게 받침기둥 위에 제자리 회전 가능하게 설치가 되는 주동력샤프트(17)와;

상기 주동력샤프트에 고정 설치되어 수차로부터 회전력을 전달받는 주동력 샤프트 폴리35)와;

주동력 샤프트 폴리와 하부 원통형 회전체(31)의 양단에 설치되어 하부 원통형 회전체와 일체가 되어 같이 회전하고 있는 대형 폴리 사이에서 동력을 전달하는 제1 동력전달벨트(09)와;

주동력샤프트에 고정 설치가 되어서 발전기(19)로 회전력을 전달할 수 있도록 해주는 폴리와 발전기 사이에 동력을 전달하는 역할을 하는 제2 동력전달벨트(11)와;

하부 원통형 회전체에 달려 있는 외부로 동력을 전달해주는 장치인 대형폴리(31)와 주동력샤프트(17) 사이, 그리고 주동력샤프트와 발전기(19) 사이에는 고장이나 수리시 동력전달을 차단해야하는 장치가 반드시 필요하다. 본 발명에서는 하부 원통형 회전체에 달려 있는 동력전달장치인 폴리와 주동력 샤프트 사이, 주동력샤프트와 발전기 사이에 브이형 벨트가 여러 가닥 길게 동력을 전달하는 것으로 했는데 이 경우 벨트가 늘어질 가능성도 당연히 존재한다. 때문에 동력을 전달하기도 하고 차단하기도 하고 장력도 조절하기 위해 설치된 장력조절기(23)와;

상기 제2동력전달 벨트로부터 회전력을 전달받아 전기를 발생시키는 발전기로 구성되어 있는 벨트형 소수력발전시스템(10)

이하 본 발명에 대해 보다 자세하게 설명한다.

본 발명은 지구상의 어느 곳에서나 존재하는 산속의 계곡 같은 곳에서 흐르는 물을 이용하는 방법으로 경사가 어느 정도 있고 강물처럼 물의 량이 그리 많지 않은 그런 환경에 적합한 수력 발전 방식이다.

경사가 있는 계곡이라고 해도 그 계곡을 가로막고 발전 가능한 정도인 10m이상의 낙차를 만든다면 사실 그 모양이 흉물스러울 수밖에 없고 결국 자연경관을 해칠 수밖에 없다. 물론 그렇게 해서 본 발명을 적용할 수도 있지만 여기서는 논외로 하고 본 발명에서는 그런 점을 감안해서 가능한 한 자연경관을 해치지 않는 방법으로 발 전을 하는 것으로 구성을 했다.

즉 물을 가로막는 장소에서는 그저 흐르는 물을 가로막는 정도로 하고 그 가로막은 물을 산 허리 쪽으로 수로를 내서 흐르게 하되 수로의 경사를 기존계곡의 경사보다 완만하게 해서 조금씩 기존 계곡과의 높이 차이를 만들고 그 물을 자연경관을 덜 해치고 낙차가 발전에 필요한 높이가 되는 장소까지 이끌고 이후 공중으로 일정 거리 수로를 만들어서 그곳에 본 발명을 적용한 수력발전시스템을 적용하는 것으로 했는데 물의 양에 따라 본 발명에 따른 구조물을 횡 방향으로 2~3기 정도 더 건설을 하고 주동력 샤프트로 연결을 해서 물의 양에 따라 발전량의 차이를 달리할 수도 있는 것으로 했다.

도 10에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수력발전시스템을 이용하여 발전을 하고자 하는 경우,

(기본조건)

먼저 상부회전체와 하부회전체의 회전중심축이 같은 수직선상에 위치해야 하고;

상,하 두 회전체와 벨트형 물받이가 공회전하지 못하도록 서로 팽팽하게 당겨져야 하고;

벨트형 물받이에 물이 실려 그 하중에 벨트형 물받이가 뒤로 밀려나지 않도록 벨트형 물받이 뒤쪽을 간격조정대가 확실하게 받쳐지도록 되어 있어야 하고;

벨트형 물받이 바깥쪽을 물받이 차단벽이 5mm 이내로 확실하게 근접해 있어서 물받이에 실리는 물이 물받이를 벗어나서 그냥 밑으로 떨어지는 것이 최소화 되도록 잘 밀착이 되어 있어야 하고;

벨트형 물받이와 물받이 차단벽 사이에서 새어나오는 물이 동력전달장치나 기타의 곳으로 떨어지지 않도록 물받이 차단벽의 직각으로 꺽어져 있는 양쪽 부분이 벨트형 물받이의 물받이 옆판에 5mm 이내로 잘 덮어져 있어야 하고;

하부회전체에 달려있는 동력전달장치인 대형 폴리와 주동력 샤프트에 달려 있는 폴리 사이에 동력을 전달하는 제1동력전달벨트인 브이(V)형 벨트는 공회전이 되지

않도록 장력조절기에 의해서 팽팽하게 당겨져 있어야 하고;

제2동력벨트 역시 그런 이유로 팽팽하게 당겨져 있어야 하고;

물의 양이 많아서 도면과 같은 수차가 옆으로 몇 기 더 설치가 되어 있을 경우 주동력 샤프트가 일직선으로 잘 연결이 되어 있어야 한다.

(일차과정)

그런 상태에서 위로부터 물이 수로를 통해서 흘러들어오다가 수차의 상단부분에 이르게 되면 벨트형 물받이의 상단부분으로 떨어진다.;

벨트형 물받이로 떨어진 물은 물막이 차단벽 때문에 물받이 바깥으로 흘러넘치지 못하고 물받이에 꽉 차게 되고 그 실린 물의 하중에 의해서 벨트형 물받이는 아래쪽으로 움직이게 된다.;

물받이에 실리게 되는 물의 무게로 물받이가 아래쪽으로 움직이게 되는 그런 작용은 처음의 물받이가 벨트형 물받이의 가장 하단 부분에 이를 때까지 계속이 되고 나중에는 물막이 차단벽에 근접된 모든 벨트형 물받이들에 물이 다 찬 상태로 아래쪽으로 움직이게 되는데 이때가 벨트형 물받이는 최대의 회전력을 발휘하게 되는 순간이다. 그리고 물받이 차단벽을 다 지나게 된 벨트형 물받이에서는 위치에너지가 다 없어진 물이 물받이에서 내려져서 자연상태로 돌아가게 된다.

(이차과정)

벨트형 물받이가 회전을 하게 되면 벨트형 물받이 안쪽의 상,하 두 회전체도 회전을 하게 되고 그럼 하부회전체 양단에 일체형으로 부착이 되어 있는 외부로 동력을 전달하기 위한 대형 폴리도 자연 회전을 하게 된다;

하부회전체의 양단에 붙어 있는 대형 폴리가 회전을 하게 되면 그 폴리로부터 일정거리 이격 된 위치에 있는 주동력샤프트에 고정 설치되어 있는 폴리로 v형 벨트에 의해 그 회전력이 전달이 되게 되는데 v형 벨트는 장력조절기에 의해 두 폴리 사이를 팽팽하게 당겨진 상태로 회전하게 된다;

물의 양에 따라 1, 2기 정도의 수차가 더 설치될 수도 있고 그런 경우 각 수차의 회전력은 위와 같은 과정을 거치면서 전부 일직선, 일체형으로 연결이 되어 있는 주동력샤프트로 전달이 되게 되는데 그 회전력은 다시 일정거리 떨어진 체 설치되어 있는 발전기로 제2동력전달벨트에 의해 전달이 되어 발전이 된다.
본 발명을 실현할 경우 적용할 모든 것이 다 미정이기 때문에 특정할 사항은 전혀 없다
그렇지만 발명을 구상할 때에 이 정도면 현실화를 하는데 상식적으로 문제는 없다 하는 정도에서 발명안을 작성했었고 그 경우를 들어 참고삼아 발전량을 계산해본다. (참고용으로만)
물의 양은 두께 30 cm에 길이 5 m를 꽉 채우면서 떨어지는 정도(1.5 제곱미터)
상, 하부 원통형회전체간의 거리 -- 10m(발전소의 최대낙차 약 14m)
원통형회전체의 반지름 -- 1.2m(무게 중심으로 따졌을시 1.35)
벨트형물받이의 두께 -- 30cm
원통형회전체의 회전수(분당) -- 30회(워낙 변수가 많아 계산이 불가하나 중력가속 도나 원통형회전체의 원주 등을 계산했을 경우 60회 이상이나 여기서는 그 반 이하)
[토크×75(마력관련수)×30(회전수)×지름(벨트형물받이의 무게 중심까지=1.35로)×3.14÷4500= 마력]
1600 × 1.35 × 75 × 30 × 2.7 × 3.14 ÷ 4500 = 915마력
위와 같이 계산을 했을 경우 약915 마력 정도 나오나 900 마력으로 보고
900×0.735(프랑스 마력으로 1마력을 kw로 환산시)×60(한시간)=약 39,000kw
39,000×0.9(회전력손실10%)×0.8(발전기 효율80~85%이나 여기서는 80%로)
했을 경우 시간당 약 28,000kw 정도 발전 가능(발전 예상치)
(여러 수치들이 임의로 적용되었기 때문에 계산된 수치에 어떤 구속력도 없으며 오차 있을 수 있음.)

그리고 본 발명에서 벨트형 수차에서 생기는 회전력은 꼭 위에서 기술된 동력전달장치에 의해서만 동력이 전달이 되는 것은 아니고 동일 기술사상에 속하는 모든 동력전달수단이 다 이용될 수 있다.

물이 가지고 있는 위치에너지의 효율을 극대화함으로써 적은 수량으로서도

더욱 많은 발전이 가능하고 또 그렇기 때문에 현실적으로 보다 많은 수의 소수력발전소를 건설할 수가 있고

설치구조가 간단하고 물이 가진 위치에너지가 이용되는 효율성이 높기 때문에 저비용 고용량의 소수력발전(10.000kw이하)이 얼마든지 가능하다.

우리나라의 경우 여름철은 우기라 할 수 있고 이때 내리는 빗물은 대부분 바다로 그냥 흘려 들어가버리는데 그런 물들을 저수지 형태로 적절히 운용한다면 여름철 냉방전력의 상당부분을 감당할 수 있을 것이다.

즉 고지대의 저수하기 좋은 위치에 저수지를 몇 개 정도 만들어 우기에 물을 가두어 두었다가 나중 발전을 한다면 상당기간 발전이 가능하리라 본다.

Claims (5)

1. 계곡에서 흘러내려 오는 물을 가로막아 놓은 곳으로부터 낙차가 커질 때까지 산허리 쪽으로 길게 이어지는 지표면 위에 건설되어 있는 수로(29)와;

   지표면 위의 수로로부터 허공으로 수차에까지 연결이 되어져서 수차에 물을 낙하시킬 수 있게 되어 있는 수차수로(29-1)와;

   상기 수차수로가 끝나는 발전소의 상부 면에서 수차수로의 오른쪽과 왼쪽이 대칭이 되도록 벨트형수차의 회전중심축이 설치 가능한 너비로 일정한 간격을 유지한 채 일직선으로 설치가 되는 세 개씩의 오른쪽 기둥열과 왼쪽 기둥열과;

   상기 기둥들 중 수차의 상부회전중심축이 위에 설치될 수 있도록 같은 열의 기둥과 기둥 사이를 가로질러 수평으로 설치가 되는 수로의 왼쪽에 있는 왼쪽세로보(4)와 수로의 오른쪽에 있는 오른쪽 세로보(3)와;

   세로보와 같은 높이로 왼쪽 기둥열에서 오른쪽 기둥열로 가로질러 설치되는 세 개의 가로보(2)와;

   상기 왼쪽 세로보와 오른쪽 세로 보, 그 두 보위를 가로질러 설치가 되는 제자리 회전 가능한 상부회전중심축(41)과;

   상기 상부회전중심축의 수직 하방에 위치한 두 받침기둥들 위를 가로질러 제자리 회전 가능하게 설치가 되는 하부 회전중심축(42)과;

   하부 회전중심축(42)의 가운데 부분에 단순한 형태의 원통형회전체(05-1)가 고정 설치되고 그 원통형회전체의 양단에 물차단과 두께만큼의 간격을 띄우기 위한 중간띄움칸(05-2)이 고정 설치되고 그 중간띄움칸의 양단에 물차단막(05-3)이 고정 설치되고 그 물차단막의 양단에 수차에서 생기는 회전력을 외부로 전달하는 역할을 하는 폴리(31)가 고정 설치 되어서 전체적으로 일체가 되어 같이 회전하도록 되어 있는 하부 원통형회전체(05)와;

   상기 상부 회전중심축(41)의 가운데 부분에 하부원통형회전체의 가운데에 위치한 단순한 형태의 원통형회전체와 같은 직경, 같은 길이를 가진 원통형회전체가 고정설치되어 상부 회전중심축과 일체가 되어 움직이도록 되어 있는 벨트형 물받이의 모든 하중을 감당하게 되어 있는 상부 원통형회전체(03)와;

   상기 상, 하부 두 원통형회전체를 감싸면서 외부에 횡 방향으로 일정한 간격으로 물받이가 달려 있는 무한궤도 형태의 벨트형물받이(01)와;

   벨트형물받이가 위에서 아래로 수직선을 이룬 채 움직이고 있는 구간에 벨트형물받이의 전면에 5mm 이내로 근접해서 물받이에 실려 있는 물이 쏟아지지 못하게 벽 역할을 하는 평면판을 설치를 해서 벨트형물받이에 실린 물이 쏟아지지 못하게 하는 물받이 확장차단벽과 물받이 차단벽옆판이 하나 되어 있는, 물받이 차단벽지지대에 의지해서 수차의 회전력을 크게 하는 물받이 차단벽(33)과;

   상기 물 쏟아짐을 방지하기 위한 물받이차단벽의 형태유지와 하중을 지탱하고 벨트형물받이에 밀착을 시킬 수도 뗄 수도 있도록 일정거리 움직임이 가능한 물받이차단벽지지대(33-3)와;

   오른쪽 기둥열과 왼 족 기둥열의 같은 기둥열에 설치된 위에 상부원통형회전체의 중심축이 설치된 윗 세로보와 일정거리 아래쪽에 설치된 아랫 세로보에 그 하중을 의지하고 형태와 자세를 유지하면서, 가로세로 일정한 간격으로 달려있는 롤러형태의 회전체를 물받이 뒤에 받쳐서 벨트형물받이가 수직선이 되게 하고 물받이 차단벽과의 간격을 5mm이내로 일정하게 유지할 수 있게 해주는 간격조정을 위한 전동장치가 달려있는 물받이 간격조정대(07)와;

   하부 원통형회전체와 일정거리 이격된 위치에 하부 원통형회전체의 중심축과 평형이 되도록 받침기둥 위에 제자리 회전 가능하게 설치가 되는 주동력샤프트(17)와;

   하부 원통형회전체와 일체가 된 상태로 수차에서 생기는 회전력을 주동력샤프트에 전달할 수 있도록 되어 있는 하부 원통형회전체 대형폴리(31)와;

   상기 주동력 샤프트와 일체가 되어서 하부 원통형회전체의 대형폴리로부터 회전력을 전달받을 수 있도록 되어 있는 주동력샤프트 폴리(35)와;

   주동력샤프트폴리와 하부 원통형회전체의 대형폴리 사이에 동력을 전달할 수 있도록 설치가 되는 제1 동력전달벨트(09)와;

   주동력샤프트 폴리와 발전기 사이에 동력을 전달하는 역할을 하는 제2 동력전달 벨트(11)와;

   하부 원통형회전체의 양단에 달려 있는 주동력샤프트로 동력을 전달해주는 장치인 대형폴리(31)와 주동력샤프트 폴리(35)사이에 설치되는 제1동력전달벨트의 장력을 조절해서 동력을 전달할 수도 차단할 수도 있게 해주는 장력조절기(23)와;

   제2동력전달 벨트로부터 회전력을 전달받아 발전을 하는 발전기로 구성되어 있는 벨트형 수력발전시스템
2. 제 1항에 있어서

   하부 회전중심축의 가운데 부분에 벨트형물받이(01)와 너비가 같은 단순한 형태의 원통형회전체(05-1)가 고정 설치되고 그 양단에 원통형회전체의 반경보다 10~20cm 정도 적은 반경을 가진 두께 20cm 정도의 중간띄움칸(05-2)이 물차단과 두께만큼 간격을 띄우기 위해서 고정 설치되고 다시 그 양단에 중간띄움칸 보다 반경이 60~80cm 정도 더 큰 물차단막(05-3)이 고정 설치되고 다시 그 양단에 수차 외부로 동력을 전달하기 위한 장치인 대형폴리(31)가 고정 설치되는, 전체적으로 일체가 되어 같이 회전하게 되는 하부 원통형회전체(05)가 있는 것이 특징인 벨트형 수력발전시스템
3. 제 1항에 있어서

   독립적인 형태의 작은 물받이 여러 개가 옆으로 붙여져서 이루어진 벨트형물받이(01)에서의 작은 물받이들은 물받이에 실린 물의 하중이 물받이나 옆판으로 전달이 되어도 물받이가 망가지거나 형태가 변형이 되지 않도록 그 길이를 1m 이하로 하고 물받이 양쪽 가장자리에 있는 물받이 옆판(01-1)은 물받이에 실리는 물의 하중도 지탱하고 상부원통형회전체(03)의 곡선부를 움직일 시는 물받이 옆으로 물이 새는 것이 최소화 되도록 아래와 위의 옆판이 서로 1~5cm정도 겹치도록 되어있는 물받이를 하나씩 따로 떼어 놓아도 물받이에 실리는 물의 하중을 벨트형물받이에 전달하는 역할을 각자 수행할 수 있는 벨트형물받이(01)가 특징인 벨트형 수력발전시스템
4. 제 1항에 있어서

   수직선을 이루면서 움직여지고 있는 벨트형물받이의 전면에 5mm 이내로 근접되게 벨트형물받이의 너비보다 1cm 정도 넓은 너비를 가진 평면판을 벨트형물받이의 전면에 양쪽 각 5mm씩 나오도록 설치를 해서 벨트형물받이에 실린 물이 쏟아지지 못하게 하는, 물받이 차단벽의 윗부분에는 물받이 확장차단벽이 연결이 되고 옆으로는 물받이차단벽 옆판이 연결이 되어 있는 물받이 차단벽과 확장물받이 차단벽, 물받이옆판이 하나가 되어 물받이 차단벽지지대에 의지한 체 수차의 회전력을 크게 하는 물받이 차단벽(33)과;

   벨트형물받이의 맞은편에 근접 설치되는 물받이 차단벽의 윗부분과 벨트형물받이의 곡선부와 반대되는 쪽 45도 상 방향으로 1m 정도 물받이차단벽과 같은 너비의 평면판으로 이어지고 그 평면판 제일 윗부분에서 다시 수직으로 수차수로의 제일 높은 부분과 수평이 되는 부분까지 설치되는, 수로에서 떨어져서 벨트형물받이로 다 내려가지 못한 물이 잠시 머물 수 있는 여유공간을 형성하기 위한 물받이 확장차단벽(33-1)과;

   수차 위쪽, 수로의 최상단높이에서부터 곡선부를 이루고 있는 물이 실리는 벨트형 물받이옆판을 5mm 이내로 근접되게 덮으면서 벨트형물받이 맞은편의 물받이 확장차단벽에 골짜기를 가로막으며 직각으로 이어지는 상부물받이 차단벽옆판과 그 상부물받이 차단벽옆판의 하부와 연결이 되는, 수직선 상태로 움직여지고 있는 수차의 벨트형 물받이옆판을 너비가 벨트형물받이의 두께보다 5mm정도 넓은 직사각형의 평면판으로 5mm이내로 근접되게 덮으면서 벨트형 물받이옆판의 가장자리보다 5mm 정도 옆으로 더 나온 물받이차단벽의 양쪽 가장자리와 직각으로 이어지는 하부물받이 차단벽옆판은 상, 하부가 하나로 연결되어 있는 벨트형물받이 옆판과의 사이에서 새는 물을 최소화하는 물받이 차단벽옆판(33-2)과;

   하나의 부품으로 되어 있는 물받이차단벽과 물받이 확장차단벽 그리고 물받이 차단벽옆판의 모양이나 형태 유지, 하중을 지탱하고 벨트형물받이의 교체나 수리시 벨트형물받이로부터 5mm~1m이내로 붙였다 떼었다 간격조정이 가능하도록 전동장치가 달려있는 물받이 차단벽지지대(33-3)가 있는 것이 특징인 수력발전시스템
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