KR101026930B1

KR101026930B1 - 수력 발전 장치

Info

Publication number: KR101026930B1
Application number: KR1020080098931A
Authority: KR
Inventors: 이신부
Original assignee: 이신부
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2011-04-04
Also published as: KR20100039939A

Abstract

본 발명은 하천, 강, 바다의 유수의 흐름을 이용한 수력 발전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수차 지지대(4)의 하단에 직각방향으로 물막이판(1)이 장착된 물막이판 지지대(2)가 형성되고, 물막이판 지지대(2) 하단의 위치에 수차 지지대(4)와 직각방향으로 연결되는 사각 프레임형태의 물막이판 정지대(5)가 형성된 것을 특징으로 하는 수차(100)를 콘크리트 부재 또는 철구조물로 조성된 중앙 구축물(18)의 상단에 형성된 메인기어(6)에 고정·장착하고, 메인기어(6) 상단에 위치한 수차 조정 핸들(8)에 의해 높낮이 조절이 가능한 수차(100)는 유수에 의해 중앙 구축물(18)을 중심으로 회전하게 되고, 중앙 구축물(18)과 베어링(7)을 사이에 두고 장착된 메인기어(6)는 수차(100)의 회전력을 연결되어 있는 기어에 전하고, 기어는 수차(100)의 회전력을 증폭시켜 발전기(15)의 발전기 회전자(14)에 전달하여 발전을 하는 수력 발전 장치이다.

수력 , 발전 , 수차 , 날개 , 프로펠러

Description

수력 발전 장치{A HYDROELECTRIC PLANT}

본 발명은 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하천이나 강 또는 바다와 같이 물의 흐름이 있는 곳이면 어디서든 쉽게 전기를 생산할 수 있는 수력 발전 장치에 관한 것이다.

발전의 원리는 코일과 자석의 상대적인 운동에 의해 유도 전류가 발생하는 전자기 유도현상을 이용한다. 일반적인 발전기의 구조는 둥근 코일속에 자석이 들어있거나, 둥근 자석속에 코일이 들어 있는데, 자석이나 코일 중 하나를 회전시키면 전기가 발생한다.

상기와 같이, 발전을 위해서는 회전운동을 필요로 하는데, 이러한 회전운동을 어떠한 방식으로 하느냐에 따라 다양한 발전방식이 존재한다.

에너지 사용에 따른 발전방식을 분류하면, 인위적으로 열에너지를 만들어 증기터빈을 돌리는 방법, 자연의 운동에너지를 이용한 방법, 그외 기타의 방법으로 나눌 수 있다.

인위적으로 열에너지를 만들어 증기터빈을 돌리는 방법에는 화력발전, 원자력발전이 있다.

현재 사용되는 전기생산량의 대부분을 차지하는 대표적인 발전 방식인 화력발전과 원자력 발전은 화석연료를 사용하여 가열한 증기를 노즐로부터 내뿜어, 회전하는 장치인 터빈에 장착된 깃에 부딪히게 하여 증기터빈을 고속으로 회전시켜 발전을 한다.

하지만 화력발전은 석유, 석탄, 나무 등의 화석연료를 사용하기 때문에 엄청난 양의 각종 공해물질을 배출시켜 대기를 심각하게 오염시키며 인류 문명사회에 큰 피해를 줌과 동시에 지구온난화를 유발시켜 기후와 환경적으로 전 지구적인 재앙을 일으키고 있으며, 화석연료의 양도 한정되어 있어 머지않아 자원이 고갈되는 위기에 직면해 있다.

원자력발전은 다른 발전 방식과 대비하여 적은 양의 연료(우라늄)를 사용하여 상대적으로 많은 전기를 생산할 수 있어서 현재 각광받고 있지만, 방사성 폐기물에 의한 환경오염과 핵분열을 이용한 발전방식의 안전성에 있어서 문제점을 안고 있다.

자연의 운동에너지를 이용한 방법으로 가장 많이 사용되는 발전방식은 수력발전이다.

수력발전은 물이 가지고 있는 위치에너지를 운동에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 방식으로, 대표적인 예로 댐이 있으나 건설비용이 많이 들고 수몰지역이 넓어 지역주민의 이주와 자연의 생태계를 파괴시키는 단점이 있다.

자연의 운동에너지를 이용한 또 다른 발전방식은 해류를 이용하는 해류발전 방식이 있다.

이 방식은 항상 일정한 속도 이상의 강한 해류가 흐르는 곳에서만 가능하며, 발전단가가 원자력의 약 68 %, 화력의 40 %로 경제성이 좋다.

발전을 위한 적지로는 멕시코만류가 흐르는 미국 동해안, 쿠로시오해류가 흐르는 일본 동해안, 유속이 빠른 마젤란해협, 흑해의 보스포루스해협, 지브롤터해협이 있고, 한국에서는 쿠로시오 해류의 지류가 흐르는 동남해안에서 가능하다.

그 외에도 자연의 운동에너지를 이용한 방법으로는 바람을 이용한 풍력발전, 조수 간만의 차에 의한 해수의 운동을 이용한 조력발전, 파도가 칠 때의 에너지를 이용한 파력발전이 있다.

그리고 기타의 발전방법으로는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광발전, 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 연료전지, 동·식물로 부터 생성·배출되는 유기물을 이용한 바이오매스, 화산활동이 활발한 지역의 땅에서 발생하는 열을 이용한 지열발전, 현재 연구 진행중인 차세대 발전방식인 핵융합발전 등이 있는데, 아직까지는 전체 전기 생산량에 비해 미미한 수준이지만, 앞으로 화석연료를 대체하고 가까운 미래의 인류의 에너지 문제를 해결할 차세대 친환경 에너지로 주목받고 있다.

본 발명은 상기한 자연의 운동에너지를 이용한 방법에 있어서, 물의 흐름을 이용하는 수력발전, 해류발전, 조력발전 등에 적합한 발전방식이다.

물의 흐름을 이용하는 발전방식에 관한 기존의 기술로는 '특허 출원번호 10-2003-0065923 수력 발전 장치'을 들 수 있는데, 활차(12)에 장착된 물맞이판(151)이 고정기둥(31)에 의해 떠내려가지 않게 고정되면서 부구(2)에 의해 수면에 뜬 상태에서 유수의 힘에 의해 밀리면서 무한궤도의 레일(11)을 따라 회전할 때, 활차(12)에 장착되어 있는 기어(51)가 발전기(4)의 기어(41)를 회전시켜 발전을 하는 방식으로, 기어(51)가 장착된 활차(12)와 활차(12) 사이에 거리가 있어서 기어(51)가 연결되어 있지 않아 발전기에 지속적인 회전력을 전달하지 못하고, 발전기(4)의 기어(41)와 활차(12)의 기어(51)가 직접 맞물려 있어 발전량을 증폭시킬 수 없으며, 물속에 잠겼던 물맞이판(151)이 발전기와 그 외 장치들의 상단으로 지나가며 흘리는 물에 의해 발전장치가 훼손될 우려가 있다.

그리고 '특허 출원번호 10-2005-0017964 조류 발전 장치'는 조류를 이용하는 해양 발전 장치로, 발전기가 프로펠러와 함께 물속에 잠기는 방식이다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 과제는 하천, 강, 바다 등 물이 흐르는 곳이면 어디에서든지 발전이 가능한 수력 발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 과제는 유수의 방향에 구애되지 않고 발전이 가능한 프로펠러를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 과제는 발전에 관계된 장치들을 물 밖에 형성하여 유지·보수·관리가 용이하면서 환경 오염도 줄이는 수력 발정장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 네 번째 과제는 프로펠러의 회전운동을 증폭시켜 약한 유수에서도 발전이 가능한 수력 발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다섯 번째 과제는 수차의 길이를 설치 환경과 조건에 맞게 조절할 수 있도록 하여 설치가 쉽고 설치비가 경감되는 수력 발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 여섯 번째 과제는 수차의 높낮이를 조절할 수 있는 수력 발전장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 수력 발전 장치는 수차 지지대(4)의 하단부에 직각방향으로 봉 형태의 물막이판 지지대(2)를 형성하고, 물막이판 지지대(2)의 하단에 수차 지지대(4)로부터 직각방향으로 사각 프레임형태의 물막이판 정지대(5)를 형성한 후, 물막이판 지지대(2)에는 1개 이상의 물막이판(1)을 장착하고, 물막이판 지지대(2)의 끝단과 수차 지지대(4)의 끝단을 이음 부재(17)로 연결하여 수차(100)를 형성하였다.

상기와 같이 형성된 수차(100)는 수차 지지대(4)의 상단부가 메인기어(6)와 한 몸체로 형성된 수차지지대 걸이(6a)에 끼워져 장착·고정된 상태에서 수차 조정 핸들(8)에 의해 높낮이조절이 가능하게 된다.

수차(100)가 장착된 메인기어(6)는 제 1기어(9)와 맞물리고, 제 1기어(9)와 연결되면서 발전장치 하우징(28) 내부의 기어박스(16)에 위치하는 제 1전달기어(10)는 제 2기어(11)와 맞물리고, 제 2기어(11)는 제 2전달기어(12)와 연결되고, 제 2기어(11)와 연결되어 있는 제 2전달기어(12)는 발전기 회전자기어(13)와 맞물리게 되고, 발전기 회전자기어(13)는 발전기(15) 내부의 발전기 회전자(14)와 연결되어, 수차(100)가 유수의 힘에 의해 회전할 때 회전력이 증폭되어 발전기의 회전자(14)에 전달되어 발전이 이루어진다.

본 발명에 의한 수력 발전 장치로 발전이 이루어짐으로써,

물의 흐름이 약해도 발전장치 내에서 회전력을 증폭시켜 발전이 가능하고 유수의 방향에 구애되지 않아 하천이나 강, 바다 등 물이 흐르는 곳이면 어디든지 설치하여 발전을 할 수 있으며, 수차의 높낮이를 조절할 수 있으면서 발전에 관계된 장치들이 물밖에 형성되어 있어서 유지·보수·관리가 용이하면서 환경오염도 줄일 수 있고, 물막이판(1)을 여러개로 나누어 설치함으로써 설치환경과 조건에 맞게 조 절하여 사용할 수 있다.

특히, 같은 수차의 길이라 하더라도 물막이판(1)의 폭을 짧게 하면서 갯수를 늘일수록 물막이판(1)이 그만큼 가벼지면서 흐르는 물에 가해지는 저항이 약해져 약한 유속에서도 발전이 가능해지는 장점이 있다.

이하 본 발명인 수력 발전 장치를 첨부도면 도 1 내지 도 6를 참조하면서 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 수력 발전 장치에 있어서 회전력을 얻기 위해 사용되는 수차(100)는, 모든 수차(100)에 같은 방향으로 유수의 힘이 작용하여도 한 방향으로 회전이 되도록 한 것을 특징으로 한다.

이를 위하여 수차 지지대(4)의 하단부에 직각방향으로 봉 형태의 물막이판 지지대(2)를 형성하고, 물막이판 지지대(2)의 하단에 수차 지지대(4)로부터 직각방향으로 물막이판 지지대(2)와 같은 길이의 물막이판 정지대(5)를 사각 프레임형태로 형성한 후, 물막이판 지지대(2)에는 1개 이상의 물막이판(1)을 장착하고, 물막이판 지지대(2)에 가해지는 하중을 분산시키기 위하여 물막이판 지지대(2)의 끝단과 수차 지지대(4)의 끝단에 이음 부재(17)를 연결하여 수차(100)를 형성하였다.

이때, 물막이판 지지대(2)에 장착되는 물막이판(1)은 참조도면 도 4 에 도시한 바와 같이 물막이판 회전체(3)가 고리형태로서 물막이판 지지대(2)에 건 다음 물막이판 회전체 볼트삽입구(32)에 볼트(29)를 끼워 넣고 와셔(30)와 너트(31)를 조여 장착으로써 설치가 용이하도록 하고, 물막이판 지지대(2)에 물막이판 지지대 볼트삽입구(33)를 두고 볼트(29)를 장착함으로써 턱이 만들어지도록 하여 각각의 물막이판(1)이 좌우로 유격이 발생하지 않도록 한다.

본 발명인 수력 발전 장치에 사용되는 수차(100)를 상기와 같이 형성함으로써 참조도면 도 2 에 도시한 바와 같이, 한쪽 방향에서 흐르는 물(24)은 원형구축물(18)을 기준으로 한쪽의 수차(21)는 물막이판(1)과 먼저 만나고, 반대편의 수차(23)는 물막이판 정지대(5)와 먼저 만나게 된다.

물막이판 정지대(5)보다 물막이판(1)이 먼저 물을 만나게 되는 수차(21)는 물막이판(1)이 물(24)과 만났을 때 뒤에 위치한 물막이판 정지대(5)에 의해 고정(26)이 되어 물의 힘에 의해 밀려 회전(25)하게 된다.

이때, 반대편의 수차(23)는 물의 진행방향으로 물막이판 정지대(5)가 먼저 닿게 되고 뒤에 위치한 물막이판(1)은 반대편의 수차(21)와 같이 고정시켜주는 장치가 없어 물의 힘에 의해 들어 올려지게 된다(27).

한쪽의 수차(21)는 물의 미는 힘을 온전히 그대로 받고, 반대편의 수차(23)는 물막이판(1)이 들어올려져 저항이 급감된 상태가 되어 수차는 중앙 구축물(18)을 중심으로 회전하게 된다.

본 발명에 의한 수력 발전 장치는 수차 이외에 발전을 위한 장치를 물로 부터 격리된 곳에 두어 발전을 한다.

이를 위하여 물에 잠기는 부분은 콘크리트 부재나 철구조물 또는 강화플라스틱으로 조성된 중앙 구축물(18)을 설치하고, 물에 잠기지 않는 상단에 기어와 발전장치가 설치된 발전장치 하우징(28)을 두어, 물로부터 발전장치를 보호하고 유지 및 보수가 용이하도록 한다.

발전장치와 수차(100)의 연결구조를 설명하면 참조도면 도 1 와 도 3 에 도시한 바와 같이, 수차 지지대(4)의 상단부가 메인기어(6)와 한 몸체로 형성된 수차지지대 걸이(6a)에 끼워져 장착·고정된 상태에서 수차 조정 핸들(8)에 의해 높낮이조절이 가능하게 되고, 수차(100)가 장착된 메인기어(6)는 원형구축물(18)의 상단에 형성된 베어링(7)에 의해 고정되어 있는 원형구축물(18)과는 별개로 원활한 회전이 가능하게 된다.

수차(100)의 높낮이를 조절하는 수차 조정 핸들(8)은 첨부도면 도 1과 도 6에 도시한 바와 같이 메인기어(6)의 상단에 위치하며, 내측에 암나선부(8a)가 형성된 기어 또는 너트의 형태로, 상단에 수나선부(4a)가 형성된 수차 지지대(4)와 맞물린 상태에서 수차 조정 핸들(8)을 회전시켜 수차(100)의 높낮이를 조절하며, 상기와 같이 기어 또는 너트를 사용하는 수동식과 전동식이 있으며, 전동식에는 수차 조정 전동장치(35)가 사용되어 전동 모터에 의해 원격으로 높낮이를 조절한다.

유수의 힘에 의한 수차(100)의 회전력을 그대로 전달하게 된 메인기어(6)는 제 1기어(9)와 맞물리고, 제 1기어(9)와 연결되면서 발전장치 하우징(28) 내부의 기어박스(16)에 위치하는 제 1전달기어(10)는 제 2기어(11)와 맞물리고, 제 2기어(11)는 제 2전달기어(12)와 연결되고, 제 2기어(11)와 연결되어 있는 제 2전달기어(12)는 발전기 회전자기어(13)와 맞물리게 되고, 발전기 회전자기어(13)는 발전기(15) 내부의 발전기 회전자(14)와 연결되어, 수차(100)가 유수의 힘에 의해 회전할 때 회전력이 증폭되어 발전기의 회전자(14)에 전달되어 발전이 이루어진다.

이때, 수차(100)와 메인기어(6)는 수력발전장치의 가운데에 위치한 중앙구축물(18)에 장착되어 있는 베어링(7)에 의해, 고정되어 있는 중앙구축물(18)과는 별개로 회전을 하고, 그 외의 발전설비(기어,기어박스,발전기)를 포함하는 발전장치 하우징(28)은 중앙구축물(18)의 최상단에 고정 장착되어 수차(100)의 회전력을 전달받아 발전을 하게 된다.

상기한 본 발명의 수력발전장치에 의해 발전되어 생성된 전기는 참조도면 도 1에 도시한 바와 같이 중앙 구축물(18)의 내부를 지나 지하에 매설된 송전 케이블(34)을 통하여 전송된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 수력 발전 장치는 물의 흐름을 이용하여 회전력을 발생시키고 그 힘을 증폭시켜 발전을 함으로써, 하천이나 강 또는 바다 등 물이 흐르는 곳이면 어디에서든지 발전이 가능하며, 유수의 방향에 구애받지 않고 약한 유속에서도 발전이 가능하다.

또한 유수에 의해 회전하는 수차(100)만 물에 접한 형태이고 나머지 발전설비는 물밖에 위치하면서 수차의 높낮이를 조절할 수 있어서 환경 오염을 줄이면서 유지·보수·관리가 용이하고, 설치환경에 맞게 물막이판(1)의 갯수를 조절하여 장착할 수 있어서 수차의 길이 조절이 가능하고 설치가 쉬워 설치비가 경감되는 장점이 있어 상기 해결하고자 하는 과제를 모두 만족한다.

본 발명은 상술한 것에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1 은 본 발명인 수력 발전 장치의 정면을 투시한 상세설명도.

도 2 는 수차의 작용원리를 설명한 상세설명도.

도 3 는 수력 발전 장치의 발전설비(기어의 연결구조)를 도시한 사시도.

도 4 는 물막이판(1)의 결합 모습을 도시한 사시도.

도 5 는 본 발명인 수력 발전 장치의 전체 사시도

도 6 은 수차(100)의 높낮이를 조절하는 수차 조정 핸들(8)을 도시한 사시도.

< 도면 부호의 간단한 설명 >

1 : 물막이판 2 : 물막이판 지지대

3 : 물막이판 회전체

4 : 수차 지지대 4a : 수나선부

5 : 물막이판 정지대 6 : 메인기어

6a : 수차지지대 걸이 7 : 베어링

8 : 수차 조정 핸들 8a : 암나선부

9 : 제 1 기어 10 : 제 1 전달기어

11 : 제 2 기어 12 : 제 2 전달기어

13 : 발전기 회전자 기어 14 : 발전기 회전자

15 : 발전기 16 : 기어 박스

17 : 이음 부재 18 : 중앙 구축물

19 : 수면 20, 21, 22, 23 : 수차

24 : 물이 흐르는 방향 25 : 수차의 회전방향

26 : 고정된 물막이판 27 : 열린 물막이판

28 : 발전장치 하우징 29 : 볼트

30 : 와셔 31 : 너트

32 : 물막이판 회전체 볼트삽입구 33 : 물막이판 지지대 볼트삽입구

34 : 송전선 35 : 수차 조정 전동장치

100 : 수차

Claims

수차 지지대(4)의 하단부에 직각방향으로 봉 형태의 물막이판 지지대(2)를 형성하고, 수차 지지대(4)로부터 직각방향으로 물막이판 지지대(2) 하단의 위치에 사각 프레임형태의 물막이판 정지대(5)를 형성한 후, 물막이판 지지대(2)에는 물막이판(1)을 장착하고, 물막이판 지지대(2)의 외측 끝단과 수차 지지대(4)의 상단을 이음 부재(17)로 연결하여 형성한 수차(100)를 중앙 구축물(18) 상단의 메인기어(6)에 고정·장착한 상태에서 메인기어 상단에서 수차 지지대(4)에 장착된 수차 조절 핸들(8)로 높낮이조절이 가능하도록 하고, 중앙 구축물(18)에 장착된 베어링(7)에 의해 회전가능한 메인기어(6)는 물의 흐름에 의한 수차(100)의 회전으로 메인기어(6)와 연결된 기어에 회전력을 전달하여 발전기(15)의 발전기 회전자(14)를 회전시켜 발전을 하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 수차(100)는 수차 지지대(4)의 하단에 직각방향으로 봉 형태의 물막이판 지지대(2)를 형성하고, 물막이판 지지대(2)의 하단에 수차 지지대(4)로부터 직각방향으로 연결된 사각 프레임형태의 물막이판 정지대(5)를 형성한 후, 물막이판 지지대(2)에는 물막이판(1)을 장착하고, 물막이판 지지대(2)의 끝단과 수차 지지대(4)의 상단을 이음 부재(17)로 연결하여, 발전장치에 장착된 수차(100)에 일정한 방향에서 유수의 힘이 작용하여도 물막이판(1)이 고정된 한쪽 방향으로만 회전이 되도록 한 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
제1항에 있어서,

상기 메인기어(6)에는 수차 지지대 걸이(6a)가 형성되어 기어와 수차(100)를 연결하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
제1항에 있어서,

상기 수차 지지대(4) 상단에 높낮이 조절을 위한 수차 조정 핸들(8)이 있는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 물막이판(1)은 상단의 물막이판 회전체(3)가 고리형태로 형성되어, 물막이판 회전체(3)가 물막이판 지지대(2)의 상단에서 삽입되면서 걸린 후 볼트(29)와 와셔(30)와 너트(31)에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 수력 발전 장치.