KR101061213B1 - 부력을 이용한 수력발전기관 및 수력발전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 강물 또는 바닷물의 위치에너지를 동력화 함으로써 전기를 생산하는 터빈 또는 발전장치 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강, 하천, 댐 같이 상시 물흐름이 보장되는 곳에 설치한 복수의 도크마다 설치된 부력이 큰 부력체가 도크 내부의 물이 배수된 상태에서 가지는 위치에너지를 도크의 하부로 고압의 물을 배출함으로써 배출된 물이 발전기를 회전시켜 아주 경제적으로 전기를 생산할 수 있게 한 수력발전기관에 관한 것이다.
본 발명은 낮은 수위 차이를 보이는 강가의 보에서도 지속적으로 고압의 물을 배출하여 발전기를 회전함으로써 경제적인 발전이 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

부력을 이용한 수력발전기관 및 수력발전 방법 {The method of using buoyancy hydropower agencies and the system of same}

본 발명은 강물 또는 바닷물의 위치에너지를 동력화함으로써 전기를 생산하는 터빈 또는 발전장치 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강, 하천, 댐 같이 상시 물흐름이 보장되는 곳에 설치한 복수의 도크마다 설치된 부력이 큰 부력체가 도크가 배수된 상태에서의 위치에너지를 도크의 하부로 고압의 물을 배출함으로써 발전기를 회전시켜 아주 경제적으로 전기를 생산할 수 있게 한 수력발전기관에 관한 것이다.

대형 터빈을 이용한 전기생산은 잘 알려져 있다. 일반적으로, 제어된 유체의 흐름이 프로펠러 타입의 회전자나 블레이드의 회전을 일으키도록, 터빈이 댐에 설치된다. 그러한 비교적 빠른 유속 조건은 고낙차 조건(high head condition)으로 알려져 있다. 만, 강어귀 또는 근해에서의 조수 흐름에 의해 생산되는 것과 같이, 저낙차 조건(low head condition)에 터빈을 설치하는 것 또한 알려져 있다.

수력발전의 경우에 발전용량을 늘리려면 물이 더 큰 위치에너지를 가지도록 해야 한다. 즉 낙차가 클수록 유리하다. 자연낙차, 자연유량을 이용하는 방식을 수로식(水路式) 발전이라고 하는데 그 발전량은 지형, 계절과 강우량의 영향을 많이 받는다. 따라서 안정적인 발전량을 유지하고 낙차도 크게 하기 위해서 댐식 발전을 사용한다.

댐을 짓더라도 댐의 상류에 비가 오랜 기간 오지 않으면 발전기가 지속적으로 작동할 수 없다. 따라서 여름철에 강수가 집중되어 다른 계절에는 발전에 필요한 물이 부족한 우리나라는 양수식(揚水式) 발전을 이용하기도 한다. 이는 전력 소비가 적은 야간에 남는 전력을 이용하여 댐의 하류로 흘려보낸 물을 펌프를 이용하여 다시 댐의 상류로 끌어올려 두었다가 낮에 다시 발전에 사용하는 방식이다. 우리나라에는 청평, 무주, 삼랑진 발전소에서 양수식 발전을 하고 있다.

그 밖에 큰 낙차를 얻는 방법으로 유역변경식(流域變更式) 발전이 있다. 이는 기존의 하천의 흐름을 낙차가 큰 방향으로 변경하여 발전소를 세우는 방법이다. 우리나라에는 강릉 수력발전소가 이 방식을 사용한다.

그러나 이러한 통상의 수력발전설비는 규모를 불문하고 입지선정에 따른 수몰지역민의 민원대책과 막대한 댐 건설비용 조달에서부터 공기 내내 안전유지와 건설 후의 유지보수, 발전소 운영에 필요한 전문인력의 확보, 건설 후 주변 지역에 끼칠 환경문제, 발전에 필요한 적정수위의 유지, 발전의 효율성 등 고려해야 할 사항이 한두가지가 아니다.

이러한 점에서 앞으로는 건설 및 발전 경제성을 십분 고려하고, 갈수기의 발전 불안감 해소, 주변 환경피해의 최소화, 최소의 인력으로 운영이 가능한 방향으로의 모색이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 강물 또는 바닷물의 위치에너지를 동력화 함으로써 전기를 생산하는 터빈 또는 발전장치 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강, 하천, 댐 같이 상시 물흐름이 보장되는 곳에 설치한 복수의 도크마다 설치된 부력이 큰 부력체가 도크 내부의 물이 배수된 상태에서 가지는 위치에너지를 도크의 하부로 고압의 물을 배출함으로써 배출된 물이 발전기를 회전시켜 아주 경제적으로 전기를 생산할 수 있게 한 수력발전기관에 관한 것이다.

본 발명은 낮은 수위 차이를 보이는 강가의 보에서도 지속적으로 고압의 물을 배출하여 발전기를 회전함으로써 경제적인 발전이 이루어질 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 급수로와 배수로에 문비를 구비한 도크와; 상기 도크의 하부에 저면으로 문비를 구비한 배출로가 형성되고 하부의 일측에 상기 도크의 저면에 문비가 구비된 공급로와 통공된 수압통과; 상기 수압통의 상부로 끼움되는 중량체와; 상기 중량체의 상부에 결합되는 부력체와; 물의 이동을 감지하는 센서와 각 문비를 제어하는 제어부로 구성되어 발전과정이 반복적으로 지속되는 것을 특징으로 한다.

도크의 저면 일측에 형성된 급수로를 통하여 물이 유입되는 급수단계; 물이 유입되면서 부력체에 부력이 발생하여 부력체와 결합된 중량체가 물 위로 떠오르는 부력발생단계; 도크의 저면 일측에 형성된 배수구를 통하여 물이 배출되는 배수단계; 배출구에 구비된 자동개폐형 문비가 개방되며 중량체가 수압통 내부의 물을 고압으로 배출하는 고압배출단계; 고압으로 배출되는 물이 발전기의 터빈을 회전시켜 발전하는 발전단계;의 단계를 반복하는 수력발전 방법으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 수력발전기관이 복수개로 구비되며 제어부가 각 중량체의 하강 시기를 조절하여 고압의 물이 지속적으로 배출되도록 유지되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 급수로와 배수로에 문비를 구비한 도크와; 상기 도크의 하부에 저면으로 문비를 구비한 배출로가 형성되고 하부의 일측에 상기 도크의 저면에 문비가 구비된 공급로와 통공된 수압통과; 상기 수압통의 상부로 끼움되는 중량체와; 상기 중량체의 상부에 결합되는 부력체와; 물의 이동을 감지하는 센서와 각 문비를 제어하는 제어부로 구성되어, 도크의 저면 일측에 형성된 급수로를 통하여 물이 유입되는 급수단계; 물이 유입되면서 부력체에 부력이 발생하여 부력체와 결합된 중량체가 물 위로 떠오르는 부력발생단계; 도크의 저면 일측에 형성된 배수구를 통하여 물이 배출되는 배수단계; 배출구에 구비된 자동개폐형 문비가 개방되며 중량체가 수압통 내부의 물을 고압으로 배출하는 고압배출단계; 고압으로 배출되는 물이 발전기의 터빈을 회전시켜 발전하는 발전단계;의 단계를 반복하는 수력발전 방법으로 낮은 수위 차이를 보이는 강가의 보에서도 지속적으로 고압의 물을 배출하여 발전기를 회전함으로써 경제적인 발전이 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 사시도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저면도이며,
도 3은 도크와 수압통을 수직으로 나눈 종단면도이고,
도 4는 급수단계를 나타내는 상태도이며,
도 5는 부력발생단계를 나타내는 상태도이고,
도 6은 배수단계를 나타내는 상태도이며,
도 7은 고압배출단계를 나타내는 상태도이고,
도 8은 본 발명이 복수로 구비되어 발전되는 상태를 나타낸 개략도이며,
도 9는 본 발명이 계단식으로 높이의 차이를 두고 복수로 구비되어 발전되는 상태를 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명에 따른 "부력을 이용한 수력발전기관"의 구성 및 작용에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저면도이며, 도 3은 도크와 수압통을 수직으로 나눈 종단면도이고, 도 4는 급수단계를 나타내는 상태도이며, 도 5는 부력발생단계를 나타내는 상태도이고, 도 6은 배수단계를 나타내는 상태도이며, 도 7은 고압배출단계를 나타내는 상태도이고, 도 8은 본 발명이 복수로 구비되어 발전되는 상태를 나타낸 개략도이며, 도 9는 본 발명이 계단식으로 높이의 차이를 두고 복수로 구비되어 발전되는 상태를 나타낸 개략도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구성은 상부가 개방되고 저면의 일측으로 급수문비(12)가 구비된 급수로(11)와 배수문비(14)가 구비된 배수로(13)가 통공된 도크(10)와; 상기 도크(10)의 하부에 저면으로 배출문비(22)를 구비한 배출로(21)가 형성되고 하부의 일측에 상기 도크(10)의 저면에서 하부로 돌출되며 공급문비(24)가 구비된 공급로(23)와 통공된 수압통(20)과; 상기 수압통(20)의 상부로 끼움되어 승하강이 가능한 중량체(30)와; 상기 중량체(30)의 상부에 결합되는 부력체(40)와; 물의 이동을 감지하는 센서(50)와 각 문비를 제어하는 제어부(60)로 구성되어 발전과정이 반복적으로 지속되는 것을 특징으로 한다.

상기 각 문비는 통상의 공지된 수문 혹은 게이트(gate)로써 유수를 막고 유량을 조정하기 위한 구조물로 통공된 수로의 형상에 따라 사각 또는 원형을 사용하여도 무방한 것이며 이는 본 발명이 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 중량체(30)는 통상의 무게추로 구성되며 하강하는 과정에서 수압통(20) 내부의 물을 압축하여 분사하게 되며, 이를 위해 수압통(20)의 내경과 일치하는 직경을 가진 마개부(31)를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 부력체(40)는 공기 혹은 가스, 액체, 발포체(Foams), 고체 또는 1보다 작거나 같은 비중을 갖는 어떠한 물질로도 채워질 수 있으며 통상 폴리머 발포체를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 센서(50)는 위치감지센서(51)와 수위감지센서(52)로 구성되어지며, 담수 혹은 해수가 그 탁한 정도에 따라 감지 능력이 저하되지 않도록 부식에 강한 재질의 접촉센서 등을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부(60)는 상기 센서(50)에 의해 감지된 유수의 이동에 따라 문비를 개방 혹은 폐쇄토록 함으로써 하기의 발전단계가 반복적으로 발생되어 발전되도록 하는 것이 바람직하다.

도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발전단계를 설명하면, 도크(10)의 저면 일측에 형성된 급수로를 통하여 물이 유입되는 급수단계(1); 물이 유입되면서 부력체에 부력이 발생하여 부력체와 결합된 중량체가 물 위로 떠오르는 부력발생단계(2); 도크의 저면 일측에 형성된 배수구를 통하여 물이 배출되는 배수단계(3); 배출구에 구비된 자동개폐형 문비가 개방되며 중량체가 수압통 내부의 물을 고압으로 배출하는 고압배출단계(4); 고압으로 배출되는 물이 발전기의 터빈을 회전시켜 발전하는 발전단계(5);의 단계를 반복하는 수력발전 방법으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계별로 문비의 개폐상태와 물의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.

급수단계(1)는 급수문비(12)와 공급문비(24)가 개방되어 도크(10)와 수압통(20)의 내부로 물이 유입되고, 부력발생단계(2)는 수압통(20)과 도크(10) 내부에 물이 차오름에 따라 부력체(40)에 부력이 발생하고 결합된 중량체(30)와 같이 상승하게 된다.

배수단계(3)는 급수문비(12)와 공급문비(24)가 폐쇄되고 배수문비(14)가 개방되어 도크(10) 내부의 물은 배수되지만 수압통(20) 내부의 물은 유지하게 되어 중량체(30)와 부력체(40)가 상승된 상태로 머물게 된다.

고압배출단계(4)는 배출문비(22)가 개방되어 수압통(20) 내부의 물이 중량체(30)가 하부로 누르는 힘에 의해 고압으로 배출되게 된다.

발전단계(5)는 공지된 발전방식으로써 배출로(21)를 통하여 고압으로 배출된 물이 발전기의 로터를 회전시켜 발전하게 되고, 배출이 완료된 후에 배출문비(22)가 패쇄되고 급수문비(12)와 공급문비(24)가 개방되어 물이 공급됨에따라 급수단계(1)로 환원하게 된다.

또한, 상기한 각 문비의 개폐과정을 부력체(40)의 위치를 감지하는 위치감지센서(51)와 도크의 하부에서 수면의 높낮이를 감지하는 수위감지센서(52)를 통해 물의 흐름을 감지하고 제어부(60)에 의해 각 문비를 자동으로 개폐하도록 함으로써 수력발전기관(100)을 최소한의 인원으로 통제가 가능하게 된다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 수력발전기관(100)이 복수개로 구비되고 제어부(60)가 문비의 개폐상태를 제어함으로써 각 중량체의 하강 시기를 조절하여 배출로(21)를 통해 배출되는 고압의 물이 순차적으로 배출되도록 함으로써 낮은 수위 차이를 보이는 강가의 보에서도 지속적으로 고압의 물을 배출하여 발전기의 터빈을 회전시키는 것이 가능하여 경제적인 발전이 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 수력발전기관(100)이 계단식으로 높이의 차이를 두고 복수로 설치되어 선행 수력발전기관(100')의 배수로을 통해 배수된 물이 후행 수력발전기관(200')의 급수로를 통해 유입되어 적은 유량으로도 충분한 발전이 이루어지도록 하는 효과가 있다.

이와 같이, 본 발명은 급수로(11)와 배수로(13)에 문비를 구비한 도크(10)와; 상기 도크(10)의 하부에 결합되는 저면으로 문비를 구비한 배출로(21)가 형성되고 하부의 일측에 상기 도크(10)의 저면에 문비가 구비된 공급로(23)와 통공된 수압통(20)과; 상기 수압통(20)의 상부로 끼움되어 승하강이 가능한 중량체(30)와; 상기 중량체(30)의 상부에 결합되는 부력체(40)와; 물의 이동을 감지하는 센서(50)와 각 문비를 제어하는 제어부(60)를 포함하여 이루어져 도크(10)의 저면 일측에 형성된 급수로(11)를 통하여 물이 유입되는 급수단계(1); 물이 유입되면서 부력체(40)에 부력이 발생하여 부력체(40)와 결합된 중량체(30)가 물 위로 떠오르는 부력발생단계(2); 도크(10)의 저면 일측에 형성된 배수로(13)를 통하여 물이 배출되는 배수단계(3); 배출로(21)에 구비된 자동개폐형 문비가 개방되며 중량체(30)가 수압통(20) 내부의 물을 고압으로 배출하는 고압배출단계(4); 고압으로 배출되는 물이 발전기의 터빈을 회전시켜 발전하는 발전단계(5);의 단계를 반복하는 수력발전 방법에 관한 것으로, 당업자로서는 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 설명을 고려하여 충분히 변경, 변환, 치환 및 대체할 수 있을 것이고, 상술한 실시예에만 한정되지는 않는다.

100: 부력을 이용한 수력발전기관
1: 급수단계 2: 부력발생단계
3: 배수단계 4: 고압배출단계
5: 발전단계
10: 도크 11: 급수로
12: 급수문비 13: 배수로
14: 배수문비 20: 수압통
21: 배출로 22: 배출문비
23: 공급로 24: 공급문비
30: 중량체 31: 마개부
40: 부력체 50: 센서
51: 위치감지센서 52: 수위감지센서
60: 제어부

Claims (3)

1. 급수로와 배수로에 문비를 구비한 도크와;
   상기 도크의 하부에 결합되는 저면으로 문비를 구비한 배출로가 형성되고 하부의 일측에 상기 도크의 저면에 문비가 구비된 공급로와 통공된 수압통과;
   상기 수압통의 상부로 끼움되어 승하강이 가능한 중량체와;
   상기 중량체의 상부에 결합되는 부력체와;
   물의 이동을 감지하는 센서와 각 문비를 제어하는 제어부로 구성되어 발전과정이 반복적으로 지속되는 것을 특징으로 하는 부력을 이용한 수력발전기관.
   
2. 도크의 저면 일측에 형성된 급수로를 통하여 물이 유입되는 급수단계;
   물이 유입되면서 부력체에 부력이 발생하여 부력체와 결합된 중량체가 물 위로 떠오르는 부력발생단계;
   도크의 저면 일측에 형성된 배수로를 통하여 물이 배출되는 배수단계;
   배출로에 구비된 자동개폐형 문비가 개방되며 중량체가 수압통 내부의 물을 고압으로 배출하는 고압배출단계;
   고압으로 배출되는 물이 발전기의 터빈을 회전시켜 발전하는 발전단계;의 단계를 반복하는 수력발전 방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 수력발전기관이 계단식으로 높이의 차이를 두고 복수로 설치되어 선행 수력발전기관의 배수로를 통해 배수된 물이 후행 수력발전기관의 급수로를 통해 유입되어 연속적으로 발전이 지속되도록 함으로써 적은 유량으로도 충분한 발전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 부력을 이용한 수력발전기관.
   

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