KR100992067B1 - 교각을 이용한 수력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해류나 강물의 흐름을 이용하여 발전을 하는 장치에 관한 것으로, 특히, 유속이 빠른 교각 양측에 설치하여 발전효율을 높이고, 탈부착이 용이하도록 하여 유지관리가 용이하도록 함과 아울러 교각의 세굴 방지 효과로 교각의 수명을 연장하는 교각을 이용한 수력 발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 구성은,
교각(10)의 침수부 둘레를 감싸면서 압박하여 고정 설치되는 프레임(20)과;
상기 프레임(20)의 양측에 종 방향으로 설치되는 레일(22)과;
축(41)의 둘레에 복수의 날개(42)를 구비한 수차(40)와;
상하부에 축받이를 구비하여 상기 수차의 축(41) 상 하단을 회전가능하게 지지하고, 상기 레일(22)과 대향되는 부위에 레일(22)을 타고 슬라이딩되는 슬라이더(45)를 구비한 지지몸체(43)와;
상기 수차(40)의 축(41) 일측단과 연결되어 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 제너레이터(50)로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

교각을 이용한 수력 발전장치{Water-power generation}

본 발명은 해류나 강물의 흐름을 이용하여 발전을 하는 장치에 관한 것으로, 특히, 유속이 빠른 교각 양측에 설치하여 발전효율을 높이고, 탈 부착이 용이하도록 하여 유지관리가 용이하도록 함과 아울러 교각의 세굴 방지 효과로 교각의 수명을 연장하는 교각을 이용한 수력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수력 발전시스템은 크게 물을 가두어 방류시키면서 수차를 돌려 발전을 하는 댐식 발전(그 외 수로식 발전, 소수력 발전도 포함), 조석간만에 의한 해수위 변화에 따른 낙차를 이용한 조력발전, 해류의 흐름이나 조석간만의 차에 의해 발생되는 물의 흐름을 이용한 조류발전으로 구분할 수 있다.

댐식 발전은 강물을 가두기 위한 댐을 시공해야 하기 때문에 막대한 시공비가 필요할 뿐만 아니라 가두어진 물에 의해 침수지가 발생될 뿐만 아니라 각종 생태계파괴 등 환경파괴가 동반되는 단점이 있다.

조력발전은 대형 방조제와 같은 시설공사가 동반되므로 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 바다의 생태계를 교란 내지 파괴하는 등 친환경적이지 못한 발전시스템으로 보고되고 있다.

조류발전은 효율을 높이기 위해 해류의 흐름이 빠른 곳에 설치하게 되는데, 그에 따른 시공의 위험성이나 어려움이 뒤따를 뿐만 아니라 높은 유속과 수압에 오랫동안 견딜 수 있는 견고성을 확보하기 위한 구조물 설치 비용이 많이 소요된다.

이와 같이 댐식, 조력, 조류 발전시설은 자연에너지를 이용하는 것임에도 불구하고, 각종 생태계 파괴를 유발하고, 또 엄청난 시설비가 투자되어야 함에 따라 활성화되지 못하고 있다.

하지만, 석유에너지 고갈 우려와 이산화탄소로 인한 기후 온난화가 가속되는 시점에 신재생에너지 확보를 위한 노력은 시급하며, 특히 저 자본으로 효율이 높은 발전설비를 확보할 수 있는 소규모 소수력, 조력, 조류 발전 장치들의 개발이 필요하다.

종래에도 시공이 용이하면서 시공비가 저렴한 교각을 이용한 발전장치가 출원된 바가 있다.

국내 공개특허공보 10-2009-0125989호에 의하면, 해양이나 강 또는 하천에 설치된 교각에 발전장치를 설치하여 발전을 하도록 한 교각장착 유체흐름장치가 공개되어 있는데, 그 내용을 보면, 교각의 정면에 로터(수차)와 제너레이터(50)로 구성된 발전모듈을 교각을 감싸는 띠 형태의 교각고정판에 의해 장치되어 교각을 지나는 물의 유속에 의해 회전하여 발전을 하도록 구성되며, 부가적으로 교량의 상판이나 교각의 상부에 모터에 의해 동작하는 와이어드럼을 통해 상기 발전모듈을 승하강 시켜 유지보수를 할 수 있도록 구성된 것이 있다.

그러나 상기 교각장착 유체흐름장치는 교각의 앞쪽에 로터가 장치되므로 에너지 변환효율이 떨어지는 단점이 있다. 즉, 물은 교각에 접근하면서 저항을 받아 유속이 느려지다가 교각의 양측에서 유속이 빨라지기 때문에 로터가 교각의 전면에 설치되면 에너지 변환 효율이 낮아진다. 더욱이 물에 의해 떠내려오는 각종 부유물들에 무방비로 노출되기 때문에 잦은 로터의 고장이 우려되는 단점이 있다. 그리고 로터가 방향성을 가지기 때문에 물의 흐름이 바뀌는 해류에서는 사용하지 못하므로 물흐름 방향에 따라 선택적으로 작동하는 별도의 모터를 더 장치해야만 하는 단점이 있다. 그리고 로터가 방향성을 가지기 때문에 물의 흐름이 바뀌는 해류에서는 사용하지 못하므로 물흐름 방향에 따라 선택적으로 작동하는 별도의 모터를 더 장치해야만 하는 단점이 있다.

또한, 국내 공개특허공보 10-2005-0081573호의 흐르는 물과 두 개의 교각을 이용한 발전시스템에는, 양측 교각의 사이의 수면에 로터(수차)을 장치하여 물의 흐름이 발생되면 로터(수차)가 회전하여 발전을 하도록 한 것이 있다.

그렇지만, 이러한 발전장치는 교각 사이에 설치된 로터에 의해 선박의 통행은 전혀 이루어질 수 없을 뿐만 아니라 물의 흐름에 의해 떠내려가는 부유물에 의해 로터가 손상 내지 파손될 우려가 있다. 또한, 수위에 따라 항상 로터의 높낮이를 조절해 주어야 하는 번거로움이 있고 그에 따른 제어장치들이 수반된다

또한, 공개특허공보 10-2003-0050835호 교량부착식 해류발전 시스템이 있는데, 교각의 상부 양측에 자유단부가 수면을 향하도록 양팔형태의 연결부재를 설치하고, 그 단부에 발전모듈을 물에 잠기도록 설치되어 물의 흐름에 의해 발전을 하도록 한 것이다.

그러나 이 시스템은 교각에 연결부재를 설치해야 하므로 홍수시와 같이 유량과 유속이 높을 때와 같이 큰 수압에도 견딜 수 있는 견고한 구조 설계가 뒷받침되어야 하고, 많은 비용소요가 예상된다. 특히 물의 저항이 교각의 특정부위에 집중되어 큰 부담을 주므로 교량의 안전성을 저해할 수 있는 단점이 있다.

그리고 로터가 방향성을 가지기 때문에 물의 흐름이 바뀌는 해류에서는 사용하지 못하므로 물흐름 방향에 따라 선택적으로 작동하는 별도의 모터를 더 장치해야만 하는 단점이 있다.

KR10-2009-0125989 A KR10-2005-0081573 A KR10-2003-0050835 A

본 발명의 목적은 교각의 안전성을 해치지 않는 범위 내에서 설치되어 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있는 구조를 제공함과 아울러, 물흐름 방향이 바뀌더라도 동일한 발전효율을 유지할 수 있도록 하여 강이나 바다에서도 활용할 수 있도록 하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 교각에 설치되어 강물이나 조류 또는 해류로 수차를 돌려 발전함과 동시에 물흐름에 의해 발생되는 교각의 세굴(洗掘) 현상 등을 방지하여 교량의 수명을 연장시키는데 있다.

본 발명 교각을 이용한 수력 발전장치는, 교각의 침수구간 둘레를 감사며 전방 또는 후방에 물의 저항이 최소화되도록 양측으로 갈라 안내하는 안내날을 구비한 교각 커버와,

교각의 침수구간 둘레를 감싸면서 압박하여 교각에 고정되어 일체화되는 지지 프레임과,

상기 지지 프레임의 양측에 종방향으로 설치되는 레일과,

축 둘레에 복수의 날개를 구비한 수차와,

상기 수차의 상하 축단을 회전 가능하게 지지하는 축받이를 구비하며, 상기 레일에 대응 결합되는 슬라이더를 구비한 수차 지지몸체와,

상기 수차의 축 일측단과 연결되어 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 제너레이터로 구성된다.

본 발명 교각을 이용한 수력발전장치는, 교각에 설치되므로 시공이 간편하고 시공비가 저렴한 장점이 있다.

또한, 유속이 빠른 교각의 양 사이드에 설치되기 때문에 에너지 변환효율이 뛰어날 뿐만 아니라 물흐름 방향이 바뀌더라도 동일한 조건에서 수차가 회전하여 발전을 할 수 있으므로 강이나 해상에 설치된 교각에도 적용이 가능한 장점이 있다.

또한, 물에 침수된 교각의 둘레에 프레임이 둘러싸기 때문에 침식에 의해 세굴현상을 방지하여 교각의 수명을 연장시키는 장점이 있다.

또한, 교각에서 상하 슬라이딩 결합되는 구조이기 때문에 유지보수가 용이한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력발전장치의 결합사시도.
도 2는 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력발전장치의 분해사시도.
도 3은 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력발전장치의 평단면도.
도 4는 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력발전장치의 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력발전장치의 수차 실시예도.
도 6a,6b은 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력발전장치의 수차 지지몸체 실시예도.
도 7은 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력 발전장치의 수차가 적층구성된 상태를 나타낸 정면도.
도 8은 본 발명에 따른 교각을 이용한 수력 발전장치의 수차 작동 상태도.

본 발명 교각(10)을 이용한 교각(10)을 이용한 수력 발전장치는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 교각(10)의 침수구간 둘레를 감사며 전방 또는 후방에 물의 저항이 최소화되도록 양측으로 갈라 안내하는 안내날(32)을 구비함과 아울러 양측에 종방향으로 설치되는 레일(22)을 구비하는 유속안내패널(30)과, 상기 유속안내패널(30)의 상하부에 결합되어 유속안내패널(30)과 상기 안내날(32)을 교각(10)에 고정하는 프레임(20)과; 축(41) 둘레에 복수의 날개(42)를 구비한 수차(40)와, 상기 수차(40)의 상하 축(41)단을 회전 가능하게 지지하는 축받이(베어링이나 부시등을 이용하여 회전이 원활하도록 하는 축지지부를 칭함(도면에 도시생략됨))를 구비하며, 상기 레일(22)에 대응 결합되는 슬라이더(45)를 구비한 수차 지지몸체(43)와, 상기 수차(40)의 축(41) 일측단과 연결되어 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 제너레이터(50)로 구성된다.

상기 지지 프레임(20)은 교각(10)의 둘레 곡면 형상에 따라 맞춤 형성되며, 여러 몸체로 나누어져 조립되도록 구성된다. 또한, 프레임(20)의 각 몸체는 연결시 각 연결부를 볼트(24)로 체결하거나 또는 일부를 용접결합하고, 나머지 특정 부위만 연결부를 볼트(24) 체결하여 결합 고정한다. 볼트(24) 체결에 의해 서로의 몸체가 끌어당겨지게 되면 결국 상기 유속안내패널(30) 및 안내날(32)의 상하부를 강하게 압박하여 교각(10)과 일체화 하는 것이다.

교각(10)의 형상은 도면상에 타원형으로 도시하였으나, 교각(10)의 형태는 사각, 원형 등 다양한 형상이 있으며, 상기 프레임(20)은 다양한 교각(10) 형상에 맞춤 적용된다.

또한, 상기 유속안내패널(30)은 침부수 둘레 전체를 감싸 표면저항을 줄여주게 되고, 교각의 형상에 따라 저항의 정도는 다르게 나타나지만 상기 유속안내패널(30)은 전방 또는 후미부에 뾰족한 안내날(32)을 결합하여 전체적으로 유선형을 이루도록 함으로써 교각으로 접근하는 물이 자연스럽게 교각 양측으로 갈라져 지나가도록 안내해준다. 상기 안내날(32)의 설치는 상하부에 연결플랜지를 형성하여 이를 상기 프레임(20)의 내측에 삽입시킨 상태에서 프레임(20)을 교각에 압박하면 견고하게 설치된다. 물론, 프레임 또는 유속안내패널(30)에 용접결합이나 볼트결합을 통해 설치할 수도 있다.

이러한 유속안내패널(30)은 유체의 흐름에 저항을 최소화하면서 자연스럽게 교각(10)의 양측으로 갈라져 흐르도록 하는데 도움을 주며, 이 구조에 의해 유속은 교각(10)의 양 사이드로 갈 수록 유속이 증가하게 된다. 또한 상기 유속안내패널(30)은 침수된 교각(10)의 둘레를 감싸고 있으므로 빠른 유속에 의해 교각(10)이 침식되는 현상 즉 세굴 현상을 방지하는 보강 기능을 겸하여 수행하게 된다.

상기 유속안내패널(30)은 여러 개의 몸체로 이루어져 서로 조립되며, 연결부에 볼트와 같은 체결구로 조립됨과 아울러 상기 프레임(20)에 의해 교각(10)에 고정 설치된다.

또한, 수차(40)는 유속이 빠른 위치에 설치되어 에너지 변환효율을 높이는 것이 바람직하다. 이를 위해 교각(40)의 양 사이드 또는 일측 사이드에 선택적으로 설치할 수 있다.

상기 수차(40)는 중앙에 길이를 갖는 축(41)을 중심으로 사방으로 복수개의 날개(42)가 형성된 구조이며, 상기 축(41)은 수차 지지몸체(43)에 의해 지지된다. 즉, 수차 지지몸체(43)에는 축받이(도면에 도시 생략됨)를 구성하여 상기 축(41)의 상하단을 회전 가능하게 지지한다. 상기 수차 지지몸체(43)는 상하 축받이를 연결하는 단순구조로 구성할 수도 있으나, 도면에 도시된 바와 같이 전후로 물이 통과될 수 있도록 개방된 통 형상의 수차 지지몸체(43)를 구성한다. 상기 수차 지지몸체(43)의 상하부에 축받이(44)를 설치하여 상기 축(41)의 상하단을 회전 가능하게 지지한다. 그리고 상기 축(41)의 상단 또는 하단을 노출시켜 이를 제너레이터(50)와 연결하여 동력이 전달되도록 하며, 그 동력에 의해 제너레이터(50)가 회전하여 발전이 이루어진다. 또 상기 제너레이터(50)에 의해 발전된 전기는 도면에 도시되지 않은 전력케이블(C)을 통해 송전하도록 되어 있다. 송전에 관련된 부분은 매우 일반적인 기술이므로 자세한 설명을 생략한다.

한편, 수차(40)는 도 1 내지 도 3에서와 같이 날개(42)의 구조가 단순히 평면형 판체 구조일 경우에는 수차(40)의 축(41)을 중심으로 양측 공간 중 일측 공간이 폐쇄되어 있어야 한다. 즉, 물레방아와 같이 수차(40)의 축(41)을 기준으로 공간을 양분할 때, 어느 일측 공간으로만 유체의 힘이 작용해야 회전이 이루어지므로, 도시한 바와 같이 축(41)을 중심으로 일측 공간을 폐쇄하고 다른 일측 공간을 개방하여 수차(40)가 회전하도록 하는 것이다. 도면에는 일측 공간을 폐쇄하면서 다른 일측 공간으로 물을 안내하는 안내가이드(44)가 설치되어 있다.

도 5는 수차(40)의 구조를 달리한다. 도시된 수차(40)는 축(41)을 중심으로 사방으로 형성된 날개(42)가 회전되는 방향으로 볼록하게 활곡된 형상을 취한다. 이러한 구조는 물살이 어떤 방향으로 가하여진다 하더라도 동일한 방향으로 회전하게 된다. 다시말해 도 1 내지 도 3에 도시된 수차(40)와는 달리 축(41)을 중심으로 나누어지는 양측공간 중 어느 공간을 폐쇄해야 할 필요가 없는 구조이다. 즉, 물살이 수차에 작용하게 되면 오목한 부분에 작용하는 힘의 손실이 볼록한 부분에 작용하는 힘보다 손실이 작기 때문에 큰 힘이 작용하는 쪽으로 회전하게 되는 원리인 것이다. 따라서 물살의 방향이 전방에서 후방으로 가변 되더라도 수차(40)는 동일한 방향으로 회전되게 된다. 또, 날개(42)가 물살방향과 나란하게 위치할 때, 볼록하게 활곡된 부분이 양력을 받아 도 8과 같이 회전하여 날개의 회전력 향상에 도움을 준다.

그렇지만 분명한 것은 도 7에서와 같이 축(41)을 중심으로 양측으로 나누어진 공간 중 수차(40)가 물살방향으로 회전하는 구간(A)과 그 반대되는 방향으로 회전하는 구간(B)에 유속을 동시에 가하게 되면 물살을 거스르는 방향으로 회전하기 때문에 저항이 발생되어 수차(40)의 회전력이 손실되는 부분이 있다. 도 6a,6b에 도시된 수차(40)의 구조는 그러한 손실을 방지하도록 설계된 구조이다. 즉, 도 1, 내지 도 3에 도시된 수차(40)와 같이 축(41)을 중심으로 나누어지는 양측 공간에서 물살을 거스르는 방향으로 수차(40)가 회전하는 공간에는 개폐날개(46)를 차단하도록 구성하는 것이다.

물론. 물살의 방향이 바뀌는 조류발전에 있어서는 도 6a,6b와 같이 그 반대쪽에도 동일한 기능을 하는 개폐날개(46)가 설치된다. 상기 개폐날개(46)는 수차 지지몸체(43)의 상하부에 회전 가능하게 축(47) 결합되며, 스토퍼(48)에 의해 중심 이내에서만 개방이 허용되는 것이다. 즉, 물살에 의해 자동으로 닫힐 수 있는 정도의 범위 이내의 한계까지만 개방되도록 하는 것이다.

이러한 구조에 의해 유체가 수차 지지몸체(43) 내의 공간으로 유입되면 상기 개폐날개(46)는 회동하여 닫히게 되어 물은 한쪽 공간으로만 흐르게 된다. 물이 흐르는 한쪽 공간은 수차(40)의 날개(42)가 오목한 쪽과 마주하게 되므로 수차(40)는 회전하게 된다. 특히 유입된 물살이 빠져나가는 후방에는 물살에 의해 개폐날개(46)가 개방되어 물이 신속하게 배출되도록 되어 있다. 특히, 한쪽 공간으로만 유입되던 물살이 공간이 넓어지면서 회전되는 날개(42)를 최대한 밀어주게 되므로 에너지 변환효율이 극대화된다.

또한, 볼록하게 활곡된 부분이 전방의 정 중앙에 위치하게 될 경우에는 양력이 발생하는 원리에 의해 물살이 날개(42)를 강제로 이동시키기 때문에 그 때부터 강한 수차(40)의 회전력이 발생된다. 이러한 현상을 좀더 증대시키기 위해서 날개(42)의 전후방 중앙에 양측 공간을 나누는 분할판(49)을 설치하여 물살이 역회전하는 구간의 날개(42)에 영향을 미치지 않도록 함으로써 회전력 손실을 최대한 방지하도록 하는 것이 바람직할 것이다.

한편, 수차(40) 및 그 상하부에 설치되는 제너레이터(50)가 한 조를 이루게 되는데, 이는 교각(10)의 높이와 물의 깊이에 따라 복수 조를 이루도록 적층 구성할 수 있고, 레일(22) 상단부 또는 프레임(10)에 고정하면 전체가 견고하게 고정될 수 있다. 그리고 상기 적층되는 경계부에 스프링(S)을 탄력설치하여 먼저 설치된 수차 또는 제너레이터(50)와 후속으로 하강 설치되는 수차 또는 제너레이터(50) 간에 유동에 의해 충격을 받지 않도록 할 필요가 있다. 이때 스프링(S)은 내부식성이 있는 재질로 이루어진 것이 바람직할 것이다.

이와 같이 설치된 수차(40)와 제너레이터(50)는 교각(10)의 상부로 승강시켜 교각으로부터 분리할 수 있으므로 유지보수작업을 매우 편리하게 실시할 수가 있다.

10 : 교각 20 : 프레임 22 : 레일
24 : 볼트 30 : 유속안내패널 32 : 안내날
40 : 수차 41 : 축 42 : 날개
43 : 수차 지지몸체 44 : 안내가이드 45 : 슬라이더
46 : 개폐날개 48 : 스토퍼 49 : 분할판
50 : 제너레이터 S : 스프링

Claims (7)

1. 교각(10)의 침수구간 둘레를 감싸고 양측에 종방향으로 레일(22)을 형성하는 유속안내패널(30)과,
   상기 교각(10)의 전방 또는 후방에 물의 저항이 최소화되도록 양측으로 갈라 안내하는 안내날(32)과;
   상기 유속안내패널(30)의 상하부에 결합되어 유속안내패널(30)과 상기 안내날(32)을 교각(10)에 고정하는 프레임(20)과;
   상하부에 축받이를 구비하여 회전방향으로 볼록한 곡면의 날개(42)를 복수개 가진 수차의 축(41) 상하단을 회전가능하게 지지하고, 상기 레일(22)과 대향되는 부위에 레일(22)에 슬라이딩 결합되는 슬라이더(45)를 구비한 지지몸체(43)와;
   상기 수차(40)의 축(41) 일측단과 연결되어 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 제너레이터(50)로 구성하되,
   상기 수차 지지몸체(43)의 전 후부를 개방함과 동시에 그 중앙에 축결합하여 물살을 맞이할 때에는 물살의 저항을 받아 물살에 수차(40)가 역행하는 쪽 공간을 닫고 그 반대 쪽은 개방하도록 하는 개폐날개(46)와;
   상기 개폐날개(46)는 축(41)을 경계로하여 지지몸체(43)의 전후부 일측 공간에서만 회전되도록 한계를 부여하는 스토퍼(48)를 더 구비함을 특징으로 하는 교각을 이용한 수력 발전장치.
2. 제 1 항에 있어서, 하나의 수차(40)와 제너레이터(50)를 한 조로하여 상하 적층 구성하고,
   상기 각 조를 이루는 수차(40)와 제너레이터 간에 스프링(S) 게재된 것을 특징으로 하는 교각을 이용한 수력 발전장치.
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