KR101030976B1 - 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치에 관한 것으로서, 식생 여과대에 우수를 통과시켜 정화시키는 식생형 수처리 장치에 있어서, 태양광이 입사되면 솔라셀을 통해 전기에너지를 생성하는 태양광 발전수단과, 상기 태양광 발전수단에서 전송된 전기에너지를 열에너지로 변환하고 변환된 열에너지에 의해 팽창/수축을 반복하는 열팽창수단과, 상기 열팽창 수단의 팽창/수축에 따라 저수조에 저장된 우수를 상기 식생 여과대로 공급하는 우수공급수단과, 상기 저수조에 저장된 우수의 수위를 체크하여 밸브를 온오프함으로써 상기 우수공급수단의 우수 공급을 제어하는 우수공급제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 태양광 발전을 사용하여 식생 여과대에 우수를 공급할 수 있으므로, 우수 공급을 위해 전기나 석유에 의해 동작하는 모터 또는 펌프를 사용하지 않아도 되는 경제적인 효과가 있다.

Description

태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치{PLANT COMMUNITY APPARATUS FOR WATER PURIFICATION USING PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION}

본 발명은 태양광 발전을 이용하여 초기 우수를 정화용 식생 여과대에 공급하여 정화하는 수처리 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 태양광 발전에 의해 생성된 전기에너지를 열에너지로 변환하여 휘발성 액체를 팽창시키고 이로부터 발생한 압력을 우수를 공급하는 동력원으로 활용함으로써 특별한 에너지 소비 없이 정화용 식생 여과대로 우수를 이송할 수 있는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 오염물질은 생활하수, 산업폐수 및 축산폐수 등과 같이 배출지점이 뚜렷하고 한정된 점오염원에서 배출되는 점오염물질과 농경지, 목초지, 산림, 광산, 벌채지, 폐기물 처리장, 쓰레기 매립장, 도심지, 도로 및 건설현장 등과 같이 배출지점이 광범위한 비점오염원에서 배출되는 비점오염물질로 구분될 수 있다.

상기한 바와 같이 오염원에서 배출되는 오염물질은 중금속, 병원성 미생물, 유기화합물, 방사성 물질, 유기 물질 및 기타 염류 등 매우 다양한 형태로 분포되어 있다. 이러한 오염물질들은 통상 강우 시에 우수에 쓸려서 하천, 호소 등의 공공수역이나 지하수로 흘러가게 되어 수질오염을 야기하는 것은 물론 이로 인한 생태계의 파괴와 함께 최종적으로는 인간에게까지 매우 큰 피해를 주게 된다.

한편, 상술한 오염물질 가운데 배출지점이 뚜렷하고 한정된 점오염물질의 경우에는 가정이나 공장, 축산농가 등에 별도의 정화장치나 폐수처리 시설이 설치되어 오염물질의 정화가 어느 정도 이루어지고 있다. 그러나, 비점오염물질의 경우에는 배출지역이 광범위할 뿐만 아니라 비점오염물질의 대부분이 지표면에 잔존해 있다가 강우시 우수와 함께 하천, 호소 등의 공공수역이나 지하수로 유입되어 수질오염을 유발하므로, 비점오염물질이 함유된 초기 우수를 정화처리하여 하천, 호소 등의 공공수역이나 지하수로 흘려보내는 것이 매우 중요하다. 게다가 비점오염물질은 발생 및 배출량이 강우량 등의 기상조건에 크게 좌우되기 때문에 초기우수 처리를 위한 시설의 설계 및 유지관리에 어려움이 있고, 도시화 및 산업화의 진전으로 토지개발이 가속화되면서, 건조물, 도로, 주차장 등 불투수 면적이 크게 증가됨에 따라 비점오염원에 의한 하천, 호소, 지하수의 수질오염이 심각한 문제로 대두되고 있다.

일반적으로, 오염물질의 제거를 위하여 사용되는 방법은 저류형 처리방법, 침투형 처리방법, 식생형 처리방법, 장치형 처리방법 등이 있다.

오염물질의 제거를 위하여 사용되는 방법 중에서 현재 주로 사용되는 저류형 처리방법은 초기 우수에 함유된 입자상 물질을 침전하여 제거하는 방법으로서, 입자상 물질에 부착된 오염물질은 제어하는 것에는 효과적이지만 용존성 오염물질을 분리 제거하는 것에는 한계가 있고, 비교적 대규모의 토지가 필요하므로 이미 개발이 완료된 지역에서 적용하는 것이 곤란하며, 저류된 수질의 악화로 인해 해충이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 침투형 처리방법은 강우 유출수의 지하 침투능력을 향상시켜 우수 유출 저감과 아울러 지하 침투 과정에서 오염물질을 제거하는 방법인데, 토사, 부유물 및 오염물의 지속적인 유입으로 인한 공극 막힘 현상이 발생하여 유지관리가 곤란하다는 문제점이 있다. 또한, 장치형 처리방법은 여재, 와류 발생 수단, 스크린 등의 장치가 구비되어 오염물질을 제거하는 방법인데, 오염물질의 처리효율이 비교적 우수하다는 특성을 지니고 있으나, 설비비용과 유지비용이 과다하게 소요되고 여재, 와류 발생 수단, 스크린 등의 장치에 의해 분리된 오염물질을 별도로 처리해야 하는 문제점이 있다.

따라서, 토양에 오염물질의 정화 효율이 우수한 초목을 식재한 정화용 식생 여과대에 우수를 여과하여 정화하는 식생형 처리방법에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 예를 들면, 한국 등록특허공보 제810556호(발명의 명칭 : 토양 및 식생을 이용한 강우 유출수 처리 장치)에서는 제 2 배수층, 세립토양층, 제 1 배수층, 조립토양층 및 부식토층이 순차적으로 적층되고 상기 부식토층 상에는 식생이 조성되는 강우 유출수 처리 장치가 개시되어 있으며, 한국 등록특허공보 제893674호(발명의 명칭 : 내부 순환형 식생 여과장치 및 이를 포함하는 여과시스템)에서는 저수조, 상기 저수조 상부에 설치되고 수생식물이 식재된 식생부, 상기 저수조 내부 하단에서 식생부까지 연통된 흡입관, 상기 흡입관과 연통되고 식생부의 내부 또는 외부에 위치하며 다공성 분배관으로 이루어진 이송관 및 상기 저수조 내부 하단에서 흡입관으로 공기를 공급하는 공기공급수단을 포함하여, 상기 저수조 하단에서 펌프 등에 의해 공급되는 공기에 의해 저수조 내부에 있는 하수 등이 저수조 상단의 식생부까지 공급되는 순환이 반복적으로 이루어지는 내부 순환형 식생 여과장치가 개시되어 있다.

또한, 한국 공개특허공보 제2005-56023호(발명의 명칭 : 활성적니를 이용한 식생정화 방법과 그 장치)에서는 펠렛 상의 활성적니를 적층한 활성적니층에 하수, 폐수, 오수 등의 처리수나 오염된 하천수를 통과시켜서 영양염류인 질소와 인을 효율적으로 제거하는 동시에, 부식토 또는 사질토와 활성적니를 혼합하여 상기 활성적니층 위에 적치한 배양토층에 수생식물을 식재하여 수생식물에 의한 물의 정화가 이루어지도록 하는 활성적니를 이용한 식생정화 방법이 개시되어 있다.

이외에도, 한국 공개특허공보 제2000-18246호(발명의 명칭 : 식생 접촉산화법에 의한 수질 정화방법 및 정화시스템)에서는 접촉산화수로의 전반부에는 공극과 접촉면적이 큰 여재를 사용하고, 1차 침전지를 식생 재배공간으로 활용하는 수질 정화시스템이 개시되어 있다.

그런데, 상기에서 개시된 종래의 식생형 처리방법 또는 장치들은 공통적으로 초기 우수를 펌프, 모터 등의 동력 수단에 의하여 정화용 식생 여과대로 공급하여 정화 처리하기 때문에, 상기 동력 수단의 설치에 따른 설비비와 유지비가 과다하게 소요되어 우수의 정화비용을 크게 상승시키며, 상기 동력 수단과 이를 구비한 시스템의 유지가 매우 번거롭다는 문제점이 있다. 더욱이, 종래의 식생형 수처리 장치들은 일정 기간이 경과하면 정화용 식생 여과대에서 주로 유입부측 토양에 오염물질이 축적되어 폐색되는 현상이 발생하게 되는데, 이러한 토양의 폐색 현상을 방지하기 위해서는 인력이나 기계를 동원하여 폐색된 토양을 뒤집거나 또는 교체하는 작업을 주기적으로 실시해야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 초기 우수를 식생 여과대로 공급하는 방식을 펌프, 모터와 같은 동력을 사용하지 않고 태양광 발전에 의해 생성된 전기 에너지를 사용하여 히터를 가열시키고 열에 의해 부피의 변화가 크게 발생하는 휘발성 액체의 팽창 압력을 사용하여 우수를 공급하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 식생형 수처리 장치의 토양의 폐색 현상을 방지하기 위해 비가 오지 않는 시기에는 우수 대신 공기를 공급함으로써 토양의 폐색 현상을 방지할 수 있는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치는, 식생 여과대에 우수를 통과시켜 정화시키는 식생형 수처리 장치에 있어서, 태양광이 입사되면 솔라셀을 통해 전기에너지를 생성하는 태양광 발전수단과, 상기 태양광 발전수단에서 전송된 전기에너지를 열에너지로 변환하고 변환된 열에너지에 의해 팽창/수축을 반복하는 열팽창수단과, 상기 열팽창 수단의 팽창/수축에 따라 저수조에 저장된 우수를 상기 식생 여과대로 공급하는 우수공급수단과, 상기 저수조에 저장된 우수의 수위를 체크하여 밸브를 온오프함으로써 상기 우수공급수단의 우수 공급을 제어하는 우수공급제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 태양광 발전수단은, 상기 생성된 전기에너지를 일정 시간 간격으로 온오프시켜 상기 열팽창수단으로 전송하는 타이머를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 열팽창 수단은, 상기 태양광 발전수단에 의해 전송된 전기에너지를 전달받아 열에너지를 방출하는 전열 코일과, 상기 전열 코일에 의해 방출된 열에 의해 기화가 이루어져 부피가 급격히 팽창하는 성질을 갖는 물질을 충진한 신축성 튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 우수공급수단은, 상기 열팽창 수단이 내부에 설치되고, 상기 식생여과대로 방출될 우수를 저장할 수 있는 소정 저장 공간과, 우수를 단방향으로 방출 및 유입할 수 있는 체크 밸브가 포함된 유체 배출관 및 유체 흡입관을 구비하고, 상기 열팽창 수단의 팽창 및 수축에 의해 상기 저장된 우수가 방출 및 흡입되는 우수/공기 이송 펌프와, 상기 우수/공기 이송 펌프로부터 방출되는 우수를 식생 여과대로 공급할 수 있도록 상기 유체 배출관에 연결되는 우수 공급용 배관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 우수공급제어수단은, 상기 저수조 내의 소정 위치에 설치되어 저수조의 수위를 측정하여 우수의 공급 및 차단을 판단하는 수위 센서와, 상기 수위 센서의 수위 측정 결과에 따라 우수 공급용 배관의 개폐를 실행하는 개폐밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 신축성 튜브는, 내화학성 합성고무, 신축성 합성수지 필름 및 내화학성 합성 고무 코팅 탄성섬유 직물로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 신축성 튜브에 충진되는 물질은, 알콜, 프레온, 프레온 대체 물질로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 신축성 튜브는, 내부 공간을 구획하는 단열재가 구비되고, 상기 단열재에 의해 구획된 공간 중 어느 하나에 상기 전열 코일이 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치는, 상기 유체 배출관에 연결되어 상기 식생 여과대로 공기를 공급하는 유체공급용 배관과, 상기 식생 여과대의 토양에 매설되고 상기 유체공급용 배관으로부터 공급되는 공기를 상기 토양에 분사하는 공기/우수 공급 파이프 라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 식생형 수처리 장치는, 상기 저수조에 우수가 바닥난 경우 개폐 밸브를 차단하여 우수 대신 공기가 상기 식생 여과대로 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 태양광 발전을 사용하여 식생 여과대에 우수를 공급할 수 있으므로, 우수 공급을 위해 전기나 석유에 의해 동작하는 모터 또는 펌프를 사용하지 않아도 되는 경제적인 효과가 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 강우가 중단되는 시기에는 식생 여과대에 우수 공급 대신 공기를 공급함으로써 식생 여과대에 매설된 토양의 폐색을 방지하거나 폐색된 토양을 복구할 수 있으므로 폐색된 토양을 복구하기 위해 사용되는 기계나 인력을 없애거나 줄일 수 있는 경제적인 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치 구조도
도 2는 도 1의 신축성 튜브의 상세 구조도
도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치의 전체 동작을 설명하기 위한 흐름도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 우수가 공급되는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치 흐름도
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 공기가 공급되는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치 흐름도

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어지지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속한 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 제 1 실시예와 제 2 실시예로 나누어 설명하고, 제 1 실시예는 강우발생시 식생여과대에 우수를 공급하여 우수를 정화하는 실시예이고, 제 2 실시에는 강우가 없는 평상시에 식생 여과대에 공기를 공급하여 토양의 폐색을 방지하는 실시예이다.

먼저, 제 1 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제 1 실시예는 우수를 공급하기 위해 태양광을 전기에너지로 전환하여 일정 시간 주기로 저수조(20)에 구비된 열팽창수단으로 공급하는 태양광 발전 수단과, 상기 태양광 발전 수단에 의해 발생된 전기에너지를 열에너지로 전환하고 발생된 열에너지에 의해 휘발성 액체의 기화/액화에 따른 부피변화가 이루어지는 열팽창수단과, 상기 열팽창 수단의 팽창 및 수축에 의해 저수조(20)에 저장된 우수를 유입수조(42)를 거쳐 식생 여과대(40)로 공급하는 우수공급수단과, 상기 저수조(20)에 저장된 우수의 수위를 체크하고 수위에 따라 밸브를 제어하여 우수 또는 공기를 식생 여과대(40)로 공급할지 여부를 결정하는 우수공급제어수단과, 상기 우수공급수단에서 공급되는 우수를 식생 여과대(40)를 통해 정화시키는 식생정화수단을 포함한다.

상기 태양광 발전 수단에 대해 설명하면, 태양광이 입사되면 솔라셀(Solar Cell)이 입사된 태양광에 반응하여 전기를 발생시키는 태양전지(16)와, 상기 태양전지(16)로부터 발생된 전기에너지를 상기 열팽창수단으로 공급하는 전선(17)과, 상기 전선(17)에 부착되어 태양전지(16)로부터 발생된 전기에너지를 일정 시간 마다 온오프시켜 주기적으로 공급하는 타이머(19)로 이루어 진다.

상기 타이머(19)는 주기적으로 온오프됨으로써 태양광이 지속적으로 공급되는 낮에도 상기 열팽창수단을 지속적으로 팽창 및 수축시킴으로써 우수 공급이 여러번 이루어질 수 있도록 한다.

상기 열팽창수단에 대해 설명하면, 상기 태양광 발전 수단에 의해 전송된 전기 에너지를 공급받아 열을 발생시키는 전열 코일(18)과, 외부는 이송 대상인 우수와 상시 접촉되어 있으며, 전열 코일(18)에 의해 방출된 열에 의해 기화가 이루어져 부피가 급격히 팽창하는 성질을 갖는 물질을 충진한 신축성 튜브(13)로 이루어진다. 상기 신축성 튜브(13)는 내부에 충진된 물질 또는 이송 대상인 우수가 투과되지 않으면서 신축성이 매우 우수하고, 용해 또는 열화 또는 팽윤되는 현상에도 견딜 수 있도록 실리콘(silicone) 고무 등과 같은 내화학성 합성고무, 고신축성 폴리에틸렌 필름 등과 같은 신축성 합성수지 필름, 실리콘 고무 코팅 스판텍스 원단 등과 같은 내화학성 합성고무 코팅 탄성섬유 직물, 또는 충진된 물질의 부피에 따라 자유롭게 수축 및 팽창이 가능한 합성수지 재질로 이루어지고 다중의 주름이 형성된 주름식 파우치 형태로 구현되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 신축성 튜브(13)에 충진된 물질은 열에 의해 부피가 팽창하여 저수조(20)에 저장된 우수를 식생 여과대(40)로 펌핑할 수 있는 물질로서 기화 성질이 우수하고 이에 따라 부피 팽창이 크게 이루어지는 알콜, 프레온, 프레온 대체 물질등과 같이 비점이 낮고 휘발성을 갖는 휘발성 액체가 바람직하고 휘발성 액체 이외에도 높은 열적 팽창 성질을 갖는 물질이면 어느 것이든 구현 가능하다.

그리고, 상기 신축성 튜브(13) 내에는 기화를 촉진시키기 위해 단열재(15)가 추가로 구비되는데 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 도 1의 신축성 튜브의 상세 구조도이다, 도 2를 참조하여 설명하면, 신축성 튜브(13) 내에는 휘발성 액체의 양을 부피변화에 필요한 양보다 많은 양을 투입시킨다. 따라서 액체를 가열할 경우 대류현상에 의해 전체가 끊는 점에 도달해야 원하는 기화온도에 도달할 수 있어 필요이상의 에너지가 소비되고 기화속도도 지연되는 단점이 있으며, 휘발성 액체가 닿는 튜브의 표면적도 넓어 열을 빼앗기게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 전열 코일(18) 주위로 단열성 재질로 이루어지고 하부만 조금 개방된 단열재(15)를 구비한다. 이렇게 하면 단열재(15)에 의해 형성된 공간 내부에서만 대류현상이 발생하고 또한 뜨거운 액체는 상승하는 특성이 있으므로 가열된 액체의 타공간으로의 유출이 최소화되어, 필요한 양만큼만 빨리 기화가 이루어진다.

또한, 상기 우수공급수단에 대해 설명하면, 상기 신축성 튜브(13)의 팽창에 따라 저수조에 저장된 우수를 외부로 펌핑할 수 있도록 외부로 방출될 용량의 우수를 저장할 수 있는 일정 저장 공간을 가지고 있으며, 우수가 유입 및 유출될 수 있는 유체 흡입관(21), 유체 배출관(33)이 형성되어 있는 우수/공기 이송 펌프(10)와, 상기 우수/공기 이송 펌프(10)로부터 방출되는 우수를 유입수조(42)를 거쳐 식생 여과대(40)로 공급할 수 있도록 상기 유체 배출관(33)에 연결되는 우수 공급용 배관(30)으로 이루어진다. 또한, 상기 유체 흡입관(21) 및 유체 배출관(33)은 우수/공기 이송 펌프(10) 밖의 소정 위치에 각각 유체의 역류를 방지하는 유입 역지변(22) 및 유출 역지변(31)이 형성된다.

상기 유입 역지변(22)은 우수/공기 이송 펌프(10)에 일시 저장된 우수가 유체 흡입관(21)을 통해 저수조(20)로 역류되어 유출되지 않도록 하는 기능을 가진 체크 밸브로서, 우수/공기 이송 펌프(10)로부터 역류되는 유체 압력에 의해 자동적으로 폐쇄되어 유체 흡입관(21)이 차단되므로, 우수/공기 이송 펌프(10)에 일시 저장된 유체가 저수조(20)로 역류되어 유출되지 않는다.

또한, 유출 역지변(31)은 신축성 튜브(13)의 팽창에 의해 배출되는 우수가 우수/공기 이송 펌프(10)로 역류하는 것을 방지하는 동시에, 우수/공기 이송 펌프(10)의 내부에서 유체압력을 유지하는 체크 밸브로서, 우수/공기 이송 펌프(10)로부터 유체 압력에 의해 자동적으로 개방되어 우수가 우수 공급용 배관(30)을 통해 식생 여과대(40)로 정방향 공급되고, 반대로 우수가 역방향으로 흐르게 되면 자동적으로 폐쇄되어 우수가 우수/공기 이송 펌프(10)로 역류되는 것이 방지된다.

상기 우수공급제어수단에 대해 설명하면, 상기 저수조(20) 내에 우수/공기 이송 펌프(10) 근처의 소정 위치에 설치되어 저수조(20)의 수위를 측정하여 현재 시점이 우수를 공급해야 하는 시기인지를 판단하는 수위 센서(23)와, 상기 수위센서(23)에 연결되고 상기 우수 공급용 배관(30)에 설치되어 상기 수위 센서(23)로부터의 수위 측정 결과에 따라 우수 공급용 배관(30)의 개폐를 실행하는 개폐밸브(32)로 이루어진다. 상기 수위 센서(23)는 저수조(20) 내의 수위를 측정하여 현재 우수의 저장 상태가 식생 여과대(40)에 우수를 충분히 공급할 수 있을 량 만큼 존재한다면 개폐 밸브(32)를 열어서 우수를 공급하게 하고, 현재 우수의 저장 상태가 우수를 충분히 공급할 수 없는 량이라면 개폐 밸브(32)를 닫아 우수가 식생 여과대(40)로 더 이상 공급되지 않도록 한다.

상기 식생정화수단에 대해 설명하면, 상기 우수 공급용 배관(30)을 통해 공급되는 우수가 유입되는 유입부(41)와, 상기 유입부(41)를 통해 유입된 우수에 포함된 오염물질을 정화하는 식생 여과대(40)로 이루어져 강우 발생시 저수조(20)에 유입된 우수를 우수공급수단을 통해 공급받아 정화하는 기능을 수행한다.

상기의 구성으로 이루어진 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치의 동작에 대해 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치의 전체 동작을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 우수가 공급되는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치 흐름도이다.

먼저, 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명은 크게 저수조(20)에 저장된 우수의 수위에 따라 우수를 공급하는 동작과 공기를 공급하는 동작으로 나뉘는데 제 1 실시예는 우수를 공급하는 동작에 관한 것이고, 제 2 실시예는 공기를 공급하는 동작에 관한 것이다. 도 2에 나타난 바와 같이 수위센서(23)는 저수조(20) 내에 저장된 우수의 수위를 측정하고(S100), 측정된 수위가 기준선 보다 높은지 여부를 판단한다(S200). 본 발명의 제 1 실시예는 우수를 공급하는 동작이므로 측정된 수위가 기준선 보다 높은 경우에 해당하여 수위센서(23)는 개폐 밸브(32)를 개방하여(S300) 식생 여과대(40)로 우수가 공급되도록 한다(S400).

상기에서 개폐 밸브(32)가 개방되어 식생 여과대(40)에 우수를 공급하는 구체적인 동작에 대해 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.

태양전지(16)는 태양광이 입사되는지 여부를 판단하고(S410),날씨가 맑아져 태양광이 입사되는 경우 태양전지(16)는 전기에너지를 발생시킨다(S415). 전선(17)은 타이머(19)의 상태가 온인지 오프인지를 판단하고(S420), 온이면 태양전지(16)에서 생성된 전기에너지를 전열 코일(18)에 공급한다. 오프이면 태양전지(16)에서 생성된 전기에너지는 전열 코일(18)에 공급되지 못하고 이하에서 설명되는 전열 코일(18)의 발열이 중단되는 단계 S445로 이동한다.

전선(17)으로부터 전기에너지를 공급받은 전열 코일(18)는 발열을 시작하고(S425) 신축성 튜브(13) 내에 충진되어 있는 휘발성 액체는 가열되기 시작하고 액체 상태에서 기체 상태로 기화가 시작된다. 신축성 튜브(13)는 충진되어 있는 휘발성 액체의 기화에 따라 팽창하기 시작하고 수축된 신축성 튜브(13)도 이에 따라 팽창한다(S430). 신축성 튜브(13)의 팽창에 따라 우수/공기 이송 펌프(10) 내에 저장된 우수는 유체 배출관(33)을 통해 우수를 우수 공급용 배관(30)으로 공급된다(S435). 상기에서 유체 배출관(33)을 통해 방출되는 우수는 압력차이 또는 갑작스런 기온 하강 등과 같은 주변 환경에 따라 우수의 역류가 발생할 경우 유출 역지변(31)이 작동하여 역류하는 우수를 차단시켜 신축성 튜브(13)의 팽창을 지속적으로 유지시킨다. 유체 배출관(33)을 통해 공급된 우수는 우수 공급용 배관(30)을 따라 유입수조(42)에 일시 저장되었다가 식생 여과대(40)의 유입부(41)로 공급되고(S440), 식생 여과대(40)는 유입부(41)를 통해 유입된 우수를 정화하여 오염된 우수를 정화시킨다.

이렇게 태양광이 지속적으로 발생되는 낮 동안 우수를 식생 여과대(40)로 공급한 이후 밤이 되거나 또는 날씨가 급격히 흐려져 지표면에 태양광이 더 이상 입사되지 않거나, 또는 상기 단계 S420에 의해 타이머(19)가 오프된 상태이면 전열 코일(18)는 발열이 중단되고(S445), 신축성 튜브(13) 내에 기화되어 팽창되어 있던 휘발성 액체는 다시 액화를 시작하여 부피가 감소하고 이에 따라 신축성 튜브(13)는 수축하기 시작한다(S450). 신축성 튜브(13)가 수축하면 저수조(20) 내에 저장되어 있던 우수는 유체 흡입관(21)을 통해 수축된 부피 만큼 우수/공기 이송 펌프(10)로 유입된다(S455). 상기에서 유체 흡입관(21)을 통해 유입되는 우수는 압력차이 또는 갑작스런 기온 상승과 같은 주변 환경에 따라 우수의 역류가 발생할 경우 유입 역지변(22)이 작동하여 역류하는 우수를 차단시켜 신축성 튜브(13)의 수축을 지속적으로 유지시킨다. 이러한 동작이 진행되면 우수/공기 이송 펌프(10)의 우수 저장 공간에는 그동안 팽창에 의해 방출되었던 우수가 다시 채워지게 되고 다시 낮이 되거나 날씨가 좋아지는 경우 태양광이 지표면에 전달되어 태양전지(16)가 전기에너지를 생성하기 시작하거나 또는 타이머(19)가 온되게 되면 앞서 설명한 대로 우수/공기 이송 펌프(10) 내의 전열 코일(18)이 발열을 시작하여 신축성 튜브(13)가 팽창을 시작하여 앞서 설명한 동작을 반복하게 된다.

앞서 설명한 제 1 실시예의 동작이 반복되게 되면서 강우에 의해 발생한 우수는 식생 여과대(40)를 통해 정화가 이루어지고, 태양광을 에너지원으로 이용하여 우수가 공급되므로 석유나 전기와 같은 고비용이 에너지 소비 없이 오염된 우수의 정화가 가능해진다. 또한, 낮 동안에 여러 번 우수가 공급되므로 정화 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 앞서 설명한 태양광을 이용하여 우수를 공급하는 제 1 실시예와 달리 태양광을 이용하여 공기를 공급하는 제 2 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 제 2 실시예는 공기를 공급하기 위해 태양광을 전기에너지로 전환하여 일정 시간 주기로 저수조(20)에 구비된 열팽창수단에 전기에너지를 공급하는 태양광 발전 수단과, 상기 태양광 발전 수단에 의해 발생된 전기에너지를 열에너지로 전환하고 발생된 열에너지에 의해 휘발성 액체의 기화/액화에 따른 부피변화가 이루어지는 열팽창수단과, 상기 열팽창 수단의 팽창 및 수축에 의해 공기를 식생 여과대(40)로 공급하는 공기공급수단과, 상기 저수조(20)에 저장된 우수의 수위를 체크하고 수위에 따라 밸브를 제어하여 공기 또는 우수를 식생 여과대(40)로 공급할지 여부를 결정하는 공기공급제어수단과, 상기 공기공급수단에서 공급되는 공기를 식생 여과대(40)로 분사하여 토양의 폐색을 방지하거나 폐색된 토양을 복원시키는 토양정화수단을 포함한다.

상기 제 2 실시예의 구성은 제 1 실시예의 구성에서 유체공급용 배관(44) 및 공기/우수 공급 파이프 라인(45)이 추가로 구비되는 것으로 나머지 제 1 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기의 구성에서 제 1 실시예와 다른 구성을 갖는 공기공급수단에 대해 설명하면, 상기 신축성 튜브(13)의 팽창에 따라 공기를 외부로 펌핑할 수 있도록 일정 저장 공간을 가지고 있으며, 공기가 유입 및 유출될 수 있는 유체 흡입관(21), 유체 배출관(33)이 형성되어 있는 우수/공기 이송 펌프(10)와, 상기 우수/공기 이송 펌프(10)로부터 방출되는 공기를 식생 여과대(40)로 공급할 수 있도록 상기 유체 배출관(33)에 연결되는 유체공급용 배관(44)으로 이루어진다.

상기 유체공급용 배관(44)은 제 1 실시예와 같이 강우 발생에 의해 우수가 공급되는 경우 우수를 식생 여과대(40)에 공급할 수도 있으며, 체크 밸브가 형성되어 있지 않다. 이는 강수시 식생 여과대(40)의 유입부(41) 또는 유입수조(42)를 경유하지 않고 토양에 직접 우수가 공급되어도 수처리에 전혀 영향을 미치지 못하므로 체크 밸브를 통해 우수의 유입을 차단하지 않는다. 뿐만 아니라 강우시에는 식생 여과대(40)의 토양이 습윤한 상태이므로 공기/우수 공급 파이프라인(45)으로 우수를 배출하기 위해서는 일정한 압력을 필요로 하기 때문에 통상적으로 강우시에는 우수가 주로 우수 공급용 배관(30)을 경유하여 식생 여과대(40)의 유입부(41) 또는 유입수조(42)로 유입되게 된다.

또한, 상기 토양정화수단에 대해 설명하면, 상기 유체공급용 배관(44)에 연결되어 식생 여과대(40)의 토양에 일정한 간격으로 매설되고 다공성 파이프로 이루어져 유체공급용 배관(44)을 통해 공급되는 공기를 토양에 균일하게 분사되는 공기/우수 공급 파이프 라인(45)과, 오염된 우수를 정화하기 위한 토양을 구비하고 있으며 상기 공기/우수 공급 파이프 라인(45)으로부터 분사되는 공기에 의해 토양의 폐색을 방지하거나 폐색된 토양을 복원시키는 식생 여과대(40)로 이루어진다. 상기와 같이 식생 여과대(40)의 토양에 수시로 공기가 공급되면 토양에 축적된 오염물질의 산화작용 및 호기성 미생물의 활동에 의해 오염물질이 분해되어 토양의 폐색 현상을 방지하거나 또는 폐색된 토양을 복구할 수 있게 된다.

또한, 상기 공기/우수 공급 파이프 라인(45)은 강우 발생시에는 상기 유체공급용 배관(44)으로부터 공급받은 우수를 식생 여과대(40)에 분사할 수 있다.

상기의 구성으로 이루어진 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치의 동작에 대해 도 1, 도 3 및 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치의 전체 동작을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 공기가 공급되는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치 흐름도이다.

먼저, 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제 2 실시예는 앞서 설명한 바와 같이 공기를 공급하는 동작에 관한 것으로서, 도 2에 나타난 바와 같이 수위센서(23)는 저수조(20) 내에 저장된 우수의 수위를 측정하고(S100), 측정된 수위가 기준선 보다 높은지 여부를 판단한다(S200). 본 발명의 제 2 실시예는 공기를 공급하는 동작이므로 측정된 수위가 기준선 보다 낮은 경우에 해당하여 수위센서(23)는 개폐 밸브(32)를 차단하여(S500) 식생 여과대(40)로 공기가 공급되도록 한다(S600).

상기에서 개폐 밸브(32)가 차단되어 식생 여과대(40)에 공기를 공급하는 구체적인 동작에 대해 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.

태양전지(16)는 태양광이 입사하는지 여부를 판단하고(S610), 태양이 지표면에 태양광을 입사시키면 태양전지(16)는 전기에너지를 발생시킨다(S615). 전선(17)은 타이머(19)의 상태가 온인지 오프인지를 판단하고(S620), 온이면 태양전지(16)에서 생성된 전기에너지를 전열 코일(18)에 공급한다. 오프이면 태양전지(16)에서 생성된 전기에너지는 전열 코일(18)에 공급되지 못하고 이하에서 설명되는 전열 코일(18)의 발열이 중단되는 단계 S645로 이동한다.

전선(17)으로부터 전기에너지를 공급받은 전열 코일(18)은 발열을 시작하고(S625), 신축성 튜브(13) 내에 충진되어 있는 휘발성 액체는 가열되기 시작하고 액체 상태에서 기체 상태로 기화가 시작된다. 신축성 튜브(13)는 충진되어 있는 휘발성 액체의 기화에 따라 팽창하기 시작하고 수축된 신축성 튜브(13)도 이에 따라 팽창한다(S630). 신축성 튜브(13)의 팽창에 따라 우수/공기 이송 펌프(10) 내에 저장된 공기는 유체 배출관(33)을 통해 공기를 유체 공급용 배관(44)으로 공급한다(S635). 유체 공급용 배관(44)은 유체 배출관(33)을 통해 공급된 공기를 식생 여과대(40)의 토양에 매설된 공기/우수 공급 파이프 라인(45)으로 공급하고(S640), 다공성 파이프로 이루어진 공기/우수 공급 파이프 라인(45)은 공급된 공기를 토양에 분사함으로써 토양의 폐색을 방지하거나 폐색된 토양을 복구시킨다.

이렇게 태양광이 지속적으로 발생되는 낮 동안 공기를 식생 여과대(40)로 공급한 이후, 밤이 되거나 또는 날씨가 급격히 흐려져 지표면에 더 이상 태양광이 입사되지 않으면, 또는 상기 단계 S620에 의해 타이머(19)가 오프된 상태이면 전열 코일(18)는 발열이 중단되고(S645), 신축성 튜브(13) 내에 기화되어 팽창되어 있던 휘발성 액체는 다시 액화를 시작하여 부피가 감소하고 이에 따라 신축성 튜브(13)는 수축하기 시작한다(S650). 신축성 튜브(13)가 수축하면 저수조(20) 내에 분포되어 있는 공기는 유체 흡입관(21)을 통해 수축된 부피 만큼 우수/공기 이송 펌프(10)로 유입된다(S655). 그러면 우수/공기 이송 펌프(10)의 우수 저장 공간에는 그동안 팽창에 의해 방출되었던 공기가 다시 채워지게 되고 다시 낮이 되거나 날씨가 좋아지면 태양광이 지표면에 입사되어 태양전지(16)가 전기에너지를 발생하기 시작하거나 또는 타이머(19)가 온되게 되면 앞서 설명한 대로 우수/공기 이송 펌프(10) 내의 전열 코일(18)이 발열을 시작하여 신축성 튜브(13)가 팽창을 시작하여 앞서 설명한 동작을 반복하게 된다.

앞서 설명한 제 2 실시예의 동작이 반복되게 되면서 강우가 발생하지 않는 건조한 시기에 우수 대신 공기가 식생 여과대(40)로 공급되고 이에 의해 식생 여과대(40)에 매설된 토양의 폐색을 방지하거나 폐색된 토양이 복원이 가능하게 되므로 기존의 인력이나 기계에 의존하여 폐색된 토양을 뒤집거나 또는 교체하는 작업을 없애거나 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 강우시에는 태양광을 사용하여 식생 여과대(40)에 우수를 공급할 수 있고, 또한 강우가 없는 건조한 시기에는 공기를 공급함으로써 기존의 식생 여과대(40)에 우수 공급을 위해 전기나 석유에 의해 동작하는 모터 또는 펌프를 사용하지 않아도 되며, 더 나아가 식생 여과대(40)의 폐색된 토양을 복원하기 위해 인력이나 기계를 사용하여 토양을 뒤집거나 또는 교체하는 작업을 없애거나 줄일 수 있으므로 경제적으로 유용한 효과를 갖는다.

이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다. 하지만, 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 하기되는 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 우수/공기 이송 펌프 13 : 신축성 튜브
15 : 단열재 16 : 태양전지
17 : 전선 18 : 전열 코일
19 : 타이머 20 : 저수조
21 : 유체 흡입관 22 : 유입 역지변
23 : 수위 센서 30 : 우수 공급용 배관
31 : 유출 역지변 32 : 개폐 밸브
33 : 유체 배출관 40 : 식생 여과대
41 : 유입부 42 : 유입수조
44 : 유체공급용 배관 45 : 공기/우수 공급 파이프 라인

Claims (10)

1. 식생 여과대에 우수를 통과시켜 정화시키는 식생형 수처리 장치에 있어서,
   태양광이 입사되면 솔라셀을 통해 전기에너지를 생성하는 태양광 발전수단과,
   상기 태양광 발전수단에서 전송된 전기에너지를 열에너지로 변환하고 변환된 열에너지에 의해 팽창/수축을 반복하는 열팽창수단과,
   상기 열팽창 수단의 팽창/수축에 따라 저수조에 저장된 우수를 상기 식생 여과대로 공급하는 우수공급수단과,
   상기 저수조에 저장된 우수의 수위를 체크하여 개폐 밸브를 온오프함으로써 상기 우수공급수단의 우수 공급을 제어하는 우수공급제어수단을
   포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 태양광 발전수단은,
   상기 생성된 전기에너지를 일정 시간 간격으로 온오프시켜 상기 열팽창수단으로 전송하는 타이머를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 열팽창 수단은,
   상기 태양광 발전수단에 의해 전송된 전기에너지를 전달받아 열에너지를 방출하는 전열 코일과,
   상기 전열 코일에 의해 방출된 열에 의해 기화가 이루어져 부피가 급격히 팽창하는 성질을 갖는 물질을 충진한 신축성 튜브를
   포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 우수공급수단은,
   상기 열팽창 수단이 내부에 설치되고, 상기 식생여과대로 방출될 우수를 저장할 수 있는 소정 저장 공간과, 우수를 단방향으로 방출 및 유입할 수 있는 체크 밸브가 포함된 유체 배출관 및 유체 흡입관을 구비하고, 상기 열팽창 수단의 팽창 및 수축에 의해 상기 저장된 우수가 방출 및 흡입되는 우수/공기 이송 펌프와,
   상기 우수/공기 이송 펌프로부터 방출되는 우수를 식생 여과대로 공급할 수 있도록 상기 유체 배출관에 연결되는 우수 공급용 배관을
   포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 우수공급제어수단은,
   상기 저수조 내의 소정 위치에 설치되어 저수조의 수위를 측정하여 우수의 공급 및 차단을 판단하는 수위 센서와,
   상기 수위 센서의 수위 측정 결과에 따라 우수 공급용 배관의 개폐를 실행하는 개폐밸브를
   포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 신축성 튜브는,
   내화학성 합성고무, 신축성 합성수지 필름 및 내화학성 합성 고무 코팅 탄성섬유 직물로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 신축성 튜브에 충진되는 물질은,
   알콜, 프레온, 프레온 대체 물질로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 신축성 튜브는,
   내부 공간을 구획하는 단열재가 구비되고,
   상기 단열재에 의해 구획된 공간 중 어느 하나에 상기 전열 코일이 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치는,
   상기 유체 배출관에 연결되어 상기 식생 여과대로 공기를 공급하는 유체공급용 배관과,
   상기 식생 여과대의 토양에 매설되고 상기 유체공급용 배관으로부터 공급되는 공기를 상기 토양에 분사하는 공기/우수 공급 파이프 라인을
   추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식생형 수처리 장치는,
    상기 저수조에 우수가 바닥난 경우 개폐 밸브를 차단하여 우수 대신 공기가 상기 식생 여과대로 공급되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전을 이용한 식생형 수처리 장치.

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