KR101088381B1 - 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치에 관한 것이다. 이 발전장치는 수도 시설 배관 시스템의 배출단의 배관 내부에 설치되며, 배관 내부의 물이 일정 압력 이상의 수압으로 흐를 경우 회전하는 터빈; 배관의 내외부에 걸쳐 회전가능하게 설치되며, 상기 터빈을 지지 및 고정하는 축; 축의 배관의 외부로 노출된 부위에 설치되는 회전자와 그 회전자를 에워싸도록 설치되는 고정자를 가지며, 터빈의 회전에 따라 상기 회전자가 회전하여 회전자와 고정자와의 상호 작용에 의해 전기를 발생하는 발전 유니트; 발전 유니트에서 발생한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 1차 전력변환기; 1차 전력변환기에 의해 변환된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 2차 전력변환기; 및 발전 유니트의 회전자의 권선수를 조절함으로써 발전 유니트의 출력 전압을 제어하는 발전유니트 제어회로를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 수도관 급수 시스템에서 고압을 저압으로 감압하는 과정에서 소멸되고 있는 압력에너지를 전기에너지로 변환함으로써 화석연료 등을 연소시켜 얻었던 전기에너지의 일부를 대체할 수 있고, 아울러 화석연료의 연소에 따른 탄소의 배출을 줄일 수 있다.
수도관, 수압차, 수력, 발전, 마이크로하이드로, 터빈, 친환경

Description

수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치{Micro generating system using hydraulic pressure difference in a water pipe}
본 발명은 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치에 관한 것으로서, 특히 수도관 급수 시스템에서 고압을 저압으로 감압하는 과정에서 소멸되는 압력에너지를 전기에너지로 변환함으로써 저비용으로 친환경적 재생에너지를 생산할 수 있는 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치에 관한 것이다.
일반적인 수력발전은 강이나 간만의 차이가 큰 지역의 바닷물을 댐에 가두어 저수된 물을 방류시키면서 터빈을 회전시켜 물의 낙차에너지를 전기에너지로 변환하는 방식을 말한다. 이와 함께 하수처리장과 정수장 등에서 방류되는 미활용 소수력자원에 대하여 소수력발전(small hydropower) 기술을 개발하여 댐건설비 등의 막대한 초기투자비를 크게 절감하는 경제성이 높은 수자원에너지 개발방식 역시 일반화된 기술이다. 소수력발전이란 우리나라의 경우 설비용량이 3,000kW 이하의 수력발전소를 말한다. 정부에서는 1982년‘소수력개발방안’을 공표하고 민자투자를 유도하기 위하여 토목공사비 지원, 생산전력 매입 등 정부차원에서 지원하고 있는 사업이다. 수력발전 또는 소수력발전은 그 규모가 다르기는 하지만 대단위 설비투자 를 바탕으로 비교적 큰 규모의 터빈발전으로 수력에너지를 전기에너지로 변환하는 점에서 유사하다.
매우 작은 규모의 수력발전은 전세계적으로 진행되고 있는 기술인데 최근에는 전력설비 등이 잘 갖추어져 있지 않은 저개발국가의 오지를 중심으로 계곡물 등 저낙차 저수, 수로변경 등의 방식으로 5kW 이하의 낮은 전력을 생산하는 피코하이드로(picohydro), 마이크로하이드로(microhydro) 발전시스템이 개발되어 이용되고 있다.
도 1은 수력발전의 개념도로서 저수된 물의 위치에너지인 낙차를 이용하여 터빈을 회전시키고, 터빈의 회전에 따라 발전설비에 의해 발생한 전기를 원거리로 송전하는 것을 보여주고 있다. 또한, 도 2는 소수력 발전의 개념도로서, 도 1의 수력발전과 동일한 개념이나 발전 규모면에서 수력발전에 비해 작고, 터빈이 배관 내부에 설치되는 점에서 차이가 있다.
이상과 같은 수력발전 및 소수력발전에서의 발전방식은 대량의 저수용량으로 인한 큰 낙차에너지를 이용하여 터빈을 회전시켜서 발전시키는 방식이므로, 이때의 터빈 및 발전기 용량은 산업적 규모로서 매우 크기 때문에 일반 가정의 수도관, 아파트 상수도 공급관, 아파트 및 대규모 목욕탕 등 옥내외 물탱크(저수조) 하부배출관, 도로지하 매설 상수도관 등의 높은 수압을 이용한 소규모 발전 설비로는 적합하지 않다.
일반적인 수력발전 개념과 함께 일부에서는 피코하이드로(picohydro), 마이크로하이드로(microhydro) 발전시스템과 같이 저낙차 저수, 수로변경 등의 5kW 이 하의 낮은 전력을 생산하는 방식으로서 종래에 개발된 초소형 발전설비(장치)가 사용되고 있기는 하나, 수도관과 같이 상대적으로 수압이 높은 1∼10kg/㎠의 압력에서 발전용량 및 발전효율을 높이기 위해 개발한 발전기의 예는 거의 없다.
수력발전을 위한 대형 터빈 및 발전기와 피코하이드로 발전을 위한 소형 터빈 및 발전기는 모두 크기만 다를 뿐, 물이 있는 높이차에서 발생하는 위치에너지를 전기에너지로 변환하는 방식으로 동일한 개념이라 할 수 있다. 또한 이와 같은 수력발전 또는 피코하이드로 발전용 터빈 및 발전기는 물이 터빈을 통과한 후, 즉 위치에너지가 전기에너지로 변환된 이후에는 자연 방류와 같이 물이 배출되는 방식이므로, 다시 말해서 터빈을 통과한 이후에도 일정 범위 이상의 압력에너지를 갖도록 하는 구조가 아니기 때문에, 물이 배관을 통과할 시에 관(pipe)과 관 사이에서 수압의 크기만을 낮추면서 수압의 차이만큼 압력에너지를 전기에너지로 전환시키고 일정 수압은 다시 배관 급수가 가능하도록 유지하거나, 2차 또는 3차의 에너지 변환시스템을 구동시킬 수 있어야 하는 환경(필요성)에는 적용하기 어려운 점이 있다.
본 발명은 이상과 같은 종래 터빈 및 수력발전 장치에서의 재생에너지 생산의 한계성 및 설비투자의 고비용성 등을 감안하여 창출된 것으로서, 현재의 수도관 급수 시스템에서 고압을 저압으로 감압하는 과정에서 소멸되고 있는 압력에너지를 전기에너지로 변환함으로써 비교적 저비용으로 친환경적 재생에너지를 생산할 수 있는 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치는,
수도 시설 배관 시스템의 배출단의 배관 내부에 설치되며, 배관 내부의 물이 일정 압력 이상의 수압으로 흐를 경우 회전하는 터빈;
상기 터빈과 기계적으로 연결되고 배관의 내외부에 걸쳐 회전가능하게 설치되며, 상기 터빈을 지지 및 고정하는 축;
상기 축의 배관의 외부로 노출된 부위에 설치되는 회전자와 그 회전자를 에워싸도록 설치되는 고정자를 가지며, 상기 터빈의 회전에 따라 상기 회전자가 회전하여 회전자와 고정자와의 상호 작용에 의해 전기를 발생하는 발전 유니트;
상기 발전 유니트와 전기적으로 연결되며, 발전 유니트에서 발생한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 1차 전력변환기;
상기 1차 전력변환기와 전기적으로 연결되며, 1차 전력변환기에 의해 변환된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 2차 전력변환기; 및
상기 발전 유니트와 전기적으로 연결되며, 발전 유니트의 회전자의 권선수를 조절함으로써 발전 유니트의 출력 전압을 제어하는 발전유니트 제어회로를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 발전 유니트의 회전자는 각각 독립적으로 구성된 복수의 권선뭉치가 상기 축에 다단계의 적층 구조로 설치되고, 각 권선뭉치의 권선의 한 쪽 단부가 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제1 출력단자에 공통으로 연결된다.
또한, 상기 발전유니트 제어회로는 상호 병렬 접속 관계의 복수의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)를 구비하고, 각 온/오프 스위치의 일측 단자는 상기 회전자의 복수의 권선뭉치의 다른 쪽 단부에 각각 연결되며, 온/오프 스위치의 타측 단자는 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제2 출력단자에 공통으로 연결된다.
또한, 상기 발전 유니트의 회전자는 복수의 권선뭉치가 축을 중심으로 축 주변에 자유롭게 배치되어 전체적으로 하나의 덩어리를 이루도록 구성되고, 각 권선뭉치의 권선의 한 쪽 단부는 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제1 출력단자에 공통으로 연결되며, 권선의 다른 쪽 단부는 상기 발전유니트 제어회로의 복수의 온/오프 스위치를 통해 상기 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제2 출력단자에 공통으로 연결되는 구조로 구성될 수도 있다.
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이와 같은 본 발명에 의하면, 수도관 급수 시스템에서 고압을 저압으로 감압하는 과정에서 소멸되고 있는 압력에너지를 전기에너지로 변환함으로써 화석연료 등을 연소시켜 얻었던 전기에너지의 일부를 대체할 수 있고, 아울러 화석연료의 연소에 따른 탄소의 배출을 줄일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치는 수도관에 유입되는 수압이 일정하고, 송출되는 수압을 인위적으로 조절할 필요가 있는 경우에 적용되는 형태로서, 터빈(310), 축(320), 발전 유니트(330), 1차 전력변환기(340), 2차 전력변환기(350), 발전유니트 제어회로(360)를 포함한다.
상기 터빈(310)은 수도 시설 배관 시스템의 배출단의 배관 내부에 설치되며, 배관 내부의 물이 일정 압력 이상의 수압으로 흐를 경우 회전한다.
상기 축(320)은 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 터빈(310)과 기계적으로 연결되고 배관의 내외부에 걸쳐 회전가능하게 설치되며, 상기 터빈(310)을 지지 및 고정한다.
상기 발전 유니트(330)는 상기 축(320)의 배관의 외부로 노출된 부위에 설치되는 회전자와 그 회전자를 에워싸도록 설치되는 고정자(335∼336)를 가지며, 상기 터빈(310)의 회전에 따라 상기 회전자가 회전하여 회전자와 고정자(335,336)와의 상호 작용에 의해 전기를 발생한다.
상기 1차 전력변환기(340)는 상기 발전 유니트(330)와 전기적으로 연결되며, 발전 유니트(330)에서 발생한 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다.
상기 2차 전력변환기(350)는 상기 1차 전력변환기(340)와 전기적으로 연결되며, 1차 전력변환기(340)에 의해 변환된 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다.
상기 발전유니트 제어회로(360)는 상기 발전 유니트(330)와 전기적으로 연결되며, 발전 유니트(330)의 회전자의 권선수를 조절함으로써 발전 유니트(330)의 출력 전압을 제어한다.
여기서, 상기 발전 유니트(330)의 회전자는 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 독립적으로 구성된 복수의 권선뭉치(331∼334)가 상기 축(320)에 다단계의 적층 구조로 설치되고, 각 권선뭉치(331∼334)의 권선의 한 쪽 단부가 출력단자 A에 공통으로 연결된다.
또한, 상기 발전유니트 제어회로(360)는 상호 병렬 접속 관계의 복수의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)를 구비하고, 각 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)의 일측 단자 는 상기 회전자의 복수의 권선뭉치(331∼334)의 다른 쪽 단부에 각각 연결되며, 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)의 타측 단자는 출력단자 B에 공통으로 연결된다.
또한, 상기 발전 유니트(330)의 회전자는 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 권선뭉치(331∼334)가 축(320)을 중심으로 축 주변에 자유롭게 배치되어 전체적으로 하나의 덩어리를 이루도록 구성되고, 각 권선뭉치(331∼334)의 권선의 한 쪽 단부는 상기 출력단자 A에 공통으로 연결되며, 권선의 다른 쪽 단부는 상기 발전유니트 제어회로(360)의 복수의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)를 통해 상기 출력단자 B에 공통으로 연결되는 구조로 구성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치는 수도관에 유입되는 수압이 일정하고, 송출되는 수압도 일정하게 유지되는 경우에 적용되는 형태로서, 상기 도 3의 제1 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 구조와 큰 차이는 없다. 다만, 이 제2 실시예의 경우는 상기 제1 실시예에서의 발전 유니트 제어회로(360)가 없다는 것에 특징적으로 차이점이 있다.
도 4에서의 터빈(410), 발전 유니트(430), 1차 전력변환기(440), 2차 전력변환기(450)는 도 3에서의 터빈(310), 발전 유니트(330), 1차 전력변환기(340), 2차 전력변환기(350)에 각각 대응되며, 따라서 도 4에서의 각 구성요소들, 즉 터빈 (410), 발전 유니트(430), 1차 전력변환기(440), 2차 전력변환기(450)에 대한 설명 은 도 3에서의 각 대응되는 구성요소들인 터빈(310), 발전 유니트(330), 1차 전력변환기(340), 2차 전력변환기(350)에 대한 설명으로 대체한다.
그러면, 이상과 구성을 갖는 본 발명에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 동작에 대해 도 3을 참조하여 간략히 설명해 보기로 한다.
상수도 시설 배관 시스템의 배출단의 배관 내부의 물이 일정 압력 이상의 수압으로 흐를 경우 터빈(310)은 회전한다. 즉, 직경 50∼300mm의 수도관에 일정압력 이상으로 비교적 큰 수압이 존재할 때, 물을 일시적 또는 고정적으로 사용하거나 소방용 수압을 유지하도록 순환시킴으로써 유속이 발생하게 되면, 고속(예를 들면, 50ℓ/sec, 8m/sec)으로 관을 통과하는 물이 수도관 내의 터빈(310)을 회전시키게 된다. 이와 같이, 터빈(310)이 회전하면, 터빈(310)을 지지 및 고정하는 축(320)이 회전하고, 동시에 축(320)에 고정되어 있는 회전자(즉, 권선뭉치 331∼334)가 회전하여 회전자와 고정자(335,336)의 상호 작용에 의해 전기(교류 전압)를 발생한다.
1차 전력변환기(340)는 상기 발전 유니트(330)에서 발생한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 2차 전력변환기(350)는 1차 전력변환기(340)에 의해 변환된 직류 전압을 다시 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 이때, 최종 교류 전압은 요구되는 전압(예를 들면, 220V 50/60Hz 또는 110V 50/60Hz)으로 조정되어 출력된다.
한편, 발전유니트 제어회로(360)는 발전 유니트(330)의 회전자의 권선수를 조절함으로써 발전 유니트(330)의 출력 전압을 제어한다. 이에 대하여 조금 더 자세히 설명해 보기로 한다.
본 발명에서는 수도관의 송출부 수압에 해당하는 발전기의 출력 교류 전압을 미리 설정하여 데이터베이스화하는 것을 전제로 한다. 이와 같이 수도관의 송출부 수압에 대한 발전기의 출력 교류 전압의 데이터베이스가 구축된 상태에서, 현재 출력되고 있는 전력과 원하는 송출 수압과의 차이가 발생하여, 출력 전력이 기준값보다 클 경우에는, 발전유니트 제어회로(360)의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)를 제어하여(예를 들면, 처음에 4개의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)가 모두 닫혀 있는 (close) 상태였다고 하면, 그 중에서 임의의 스위치(예컨대, S/W4)를 개방(open)하여) 회전자를 구성하는 권선뭉치(331∼334)가 출력단자 B와 접속되는 개수를 줄임으로써(이에 의해 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 권선수는 줄어들게 됨), 발전량이 감소되도록 한다. 그리고, 출력 전력이 기준값보다 작을 경우에는 마찬가지로 발전유니트 제어회로(360)의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)를 제어하여(예를 들면, 처음에 2개의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W2)가 닫혀 있는(close) 상태였다고 하면, 나머지 스위치 S/W3, S/W4 중 적어도 하나를 더 닫아서) 회전자를 구성하는 권선뭉치(331∼334)가 출력단자 B와 접속되는 개수를 증가함으로써(이에 의해 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 권선수는 늘어나게 됨), 발전량이 증가되도록 한다.
한편, 이상은 오직 전력발생 관점에서만 동작을 설명한 것이다. 그러나, 본 발명의 발전장치가 적용되는 수도 시설 배관 시스템의 특성상 전력 생산과 함께 송출되는 수압을 또한 고려하지 않을 수 없다. 즉, 본 발명을 적용함에 있어서는 정압기와 같은 감압장치의 송출압력을 반드시 고려하고, 정압기의 감압에 의한 압력차이만을 전기에너지로 발전시켜야 한다. 따라서, 이와 관련하여 고찰해 보기로 한다.
(1) 수도관에 유입되는 수압이 일정하고, 송출되는 수압을 인위적으로 조절할 필요성이 있는 경우:
본 발명과 같은 발전시스템의 송출부 출력압력을 특정 압력으로 유지하도록 조절하기 위한 방법으로, 발전유니트 제어회로(360)를 통해서 터빈(310)에 걸리는 저항을 간접 제어하는 방식으로 정압을 유지시키는 동시에 압력차 발전을 하는 개념이다. 우선 터빈(310)의 회전에 의해서 발전 유니트(330)로부터 전력이 생산되고, 이어서 1차 전력변환기(340)에서 정류한다. 정류된 직류(DC) 전압은 다시 2차 전력변환기(350)에 의해 교류(AC) 전압으로 변환된다. 이때 최종 교류 전압은 예를 들면, AC 220V 50/60Hz 또는 110V, 50/60Hz로 필요 전압으로 조절하여 출력시킨다.
송출부 수압에 해당하는 발전기 출력 교류 전압을 사전에 데이터베이스화 (DB)하였을 때, 현재 출력되고 있는 전력과 원하는 전력(즉, 송출 수압에 해당하는 전력) 간에 차이가 발생할 경우, 예를 들면 출력 전력이 기준값보다 클 경우에는 수도관내 터빈(310)의 회전 저항을 낮추어(즉, 발전 유니트(330)의 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 코일의 권선수를 적게 하여) 발전량이 줄어들도록 하며, 출력 전력이 기준값보다 적을 경우에는 수도관내 터빈(310)의 회전 저항을 높여(즉, 발전 유니트(330)의 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 코일의 권선수를 많게 하여) 발전량이 증가되도록 조절한다. 이렇게 조절하는 것은 발전유니트 제어회로(360)에 의해 조절되며, 수도관내 터빈(310)의 회전 저항의 조정은 발전기 내의 권선 뭉치를 회전축에 더해지거나 감해지도록 함으로써(이는 권선뭉치가 회전축에 기계적으로 결합 또는 회전축으로부터 분리되는 것을 의미하는 것은 아니며, 전술 한 바와 같이 권선뭉치(331∼334)가 출력단자 B와 접속되는 개수를 증가 혹은 감소시키는 것을 의미함) 이루어진다.
도 4의 개념은 수도관에 유입되는 수압이 일정하고 송출되는 수압 역시도 일정하게 유지되는 경우로서 상기(1)과 같이 1차, 2차 전력변환기를 통해서 최종 필요 전압을 얻는 방식은 동일하지만, 송출 수압을 조절할 필요가 없어서 발전유니트 제어회로(360)가 생략된 구조이다. 이러한 경우에는 터빈의 구조와 회전날개의 개수를 조절하여 동일한 수압이 입력되면 일정하게 감압된 수압과 발전량을 얻는 구조이다. 도 4의 기본 개념은 도 3을 통하여 본 발명에서 구현하고자 하는 개념에 포함된 구조라 할 수 있다.
(2) 수도관에 유입되는 수압은 일정하지 않으나, 송출되는 수압을 일정하게 유지시킬 필요성이 있는 경우:
이 경우는 수도관 입력부의 수압은 일정압력 이상이지만 어떤 하나의 고정값으로 일정한 값은 아니나, 수도관 송출부의 압력을 일정하게 유지시키기는 방법으로서, 발전유니트 제어회로(360)를 이용해서 터빈(310)에 걸리는 저항을 간접 제어하는 것이다. 이는 정압을 유지하는 방식으로 수압의 차이를 발전의 원리에 이용한 것인데, 전력 생산 및 변환은 앞의 (1)의 경우와 동일하지만 제어기능이 추가된 점은 다르다. 발전기의 최종 출력 전력을 전력계(미도시)로 실시간 모니터링하게 되며, 모니터링 결과 전력이 일정수준에서 그 이하로 떨어지거나 그 이상으로 과도하게 상승될 경우에는 수도관 입력부로 유입되는 수압이 변화된 것으로 볼 수 있다.
따라서, 이때 출력 수압을 정압으로 유지시키기 위한 방법으로는 전자의 경 우(전력이 일정수준 이하로 떨어진 경우), 수도관내 터빈(310)의 회전 저항을 더 낮추어(즉, 발전 유니트(330)의 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 코일의 권선수를 더 적게 하여) 발전량이 줄어들도록 함으로써 일정 수준보다 더 낮은 전력을 생산하게 되지만, 물의 유속 저항이 감소하여 부하가 낮아져서 출력부의 수압을 올릴 수 있다. 이와는 반대로 후자의 경우(전력이 일정수준 이상으로 상승된 경우)에는 수도관내 터빈(310)의 회전 저항을 더 높여서(즉, 발전 유니트(330)의 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 코일의 권선수를 더 많게 하여) 발전량이 늘어나도록 하면 일정 수준보다 더 큰 전력을 생산하게 되지만, 물의 유속 저항이 증가하여 부하가 증가되어 수도관 배출부의 수압을 낮출 수 있다.
이상과 같은 방법 외에, 압력센서(미도시)를 출력부에 설치하여 실시간 모니터링한 수치를 발전유니트 제어회로(360)로 보내어 수도관내 터빈(310)의 회전 저항을 조절하는 것도 가능하다. 보다 효과적으로 정압을 유지하는 방법은 발전기의 출력 전력계의 계측신호와 압력센서의 계측신호를 종합적으로 수신하여 발전유니트 제어회로(360)에서 시스템적으로 수도관내 터빈(310)의 회전 저항을 자동으로 조절하는 것이다.
(3) 수도관에 유입되는 수압이 일정하지 않고, 송출되는 수압 역시 일정하게 유지시킬 필요성이 없으나 출력 전압을 정전압으로 유지시키고자 할 경우:
예를 들어, 가정용 또는 업무용의 수도 사용이 대부분 이 (3)의 경우에 해당된다고 할 수 있는데, 필요시에만 물을 사용하게 되면 수도관 압력발전기의 양단에 걸리는 압력은 일시적으로 차이가 나타나다가 사용하지 않으면 다시 양단의 압력이 같아져서 더 이상 유량(물의 흐름)이 발생하지 않아 발전을 하지 않게 된다.
출력 전압을 정전압으로 유지시키기 위하여, 전술한 바와 같이 1, 2차 전력변환기(340)(350)를 통하여 최종 교류 전압을 얻고, 이를 다시 일반 가정에서 바로 사용가능한 110/220V 60Hz의 교류(AC) 전압으로 조절하여 출력한다. 이때, 1차 전력변환기(340)에 의해 DC 전압으로 변환된 전압은 축전지(미도시)에 저장된다. 도 4에서 기술한 발전 방식은 터빈 회전판의 수와 구조를 통해서 터빈의 회전속도 (rpm)를 조절하고, 발전기의 권선수(코일을 감은수) 등을 고려하여 특정 전압을 출력할 수 있도록 터빈 및 발전용량을 직접 설계하는 방식이지만, 상기 도 43의 방식은 터빈 회전판 및 권선수 등의 물리적 외형을 변경하는 방식 대신에 전력변환기에 의한 상태 변환(AC→DC→AC)과 축전지를 이용하여 정해진 시간 동안 정전압을 얻어 사용하는 방식이다. 이 도 3의 방식은 도 4의 방식과 비교해서 에너지 변환 효율은 낮지만 입출력 물의 압력의 크기와 관계없이 정전압을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이 (3)의 경우는 앞의 (1)과 (2)의 경우와 달리 출력부의 수압을 정압으로 유지시킬 필요가 없으므로 구조 및 동작상에 있어서 매우 단순화 할 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치는 현재의 수도관 급수 시스템에서 고압을 저압으로 감압하는 과정에서 소멸되고 있는 압력에너지를 전기에너지로 변환함으로써 화석연료 등을 연소시켜 얻었던 전기에너지의 일부를 대체할 수 있고, 아울러 화석연료의 연소에 따른 탄소의 배출을 줄일 수 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 저수된 물의 위치에너지(낙차)를 이용한 터빈의 회전에 따라 전기를 발생하는 수력발전의 개념을 보여주는 도면.
도 2는 배관 내부에 설치된 터빈의 회전에 따라 전기를 발생하는 소수력 발전의 개념을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 발전 유니트의 내부 구조를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치의 다른 실시예의 발전 유니트의 내부 구조를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
310,410...터빈 320,420...축
330,430...발전 유니트 340,440...1차 전력변환기
331∼334...권선뭉치 335,336...고정자
350,450...2차 전력변환기 360...발전유니트 제어회로

Claims (8)

  1. 수도 시설 배관 시스템의 배출단의 배관 내부에 설치되며, 배관 내부의 물이 일정 압력 이상의 수압으로 흐를 경우 회전하는 터빈;
    상기 터빈과 기계적으로 연결되고 배관의 내외부에 걸쳐 회전가능하게 설치되며, 상기 터빈을 지지 및 고정하는 축;
    상기 축의 배관의 외부로 노출된 부위에 설치되는 회전자와 그 회전자를 에워싸도록 설치되는 고정자를 가지며, 상기 터빈의 회전에 따라 상기 회전자가 회전하여 회전자와 고정자와의 상호 작용에 의해 전기를 발생하는 발전 유니트;
    상기 발전 유니트와 전기적으로 연결되고, 발전 유니트에서 발생한 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 1차 전력변환기;
    상기 1차 전력변환기와 전기적으로 연결되고, 1차 전력변환기에 의해 변환된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 2차 전력변환기; 및
    상기 발전 유니트와 전기적으로 연결되고, 발전 유니트의 회전자의 권선수를 조절함으로써 발전 유니트의 출력 전압을 제어하는 발전유니트 제어회로를 포함하며,
    상기 수도 배관의 출력 수압을 정압으로 유지시키기 위하여, 상기 2차 전력변환기를 거쳐 출력되는 최종 출력 전력을 모니터링하기 위한 전력계를 더 구비하고,
    상기 전력계로 최종 출력 전력을 실시간으로 모니터링하여 전력이 일정 수준 이하로 떨어지면 수도관내 상기 터빈의 회전 저항을 더 낮추어(즉, 발전 유니트의 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 코일의 권선수를 더 적게 하여) 발전량이 줄어들도록 함으로써 가스 유출부의 수압을 높이고, 출력 전력이 일정 수준 이상으로 높아진 경우에는, 상기 터빈의 회전 저항을 더 높여서(즉, 발전 유니트의 고정자의 자계와 쇄교하는 회전자의 코일의 권선수를 더 많게 하여) 발전량이 늘어나도록 함으로써 수도관 배출부의 수압을 낮추는 것을 특징으로 하는 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전 유니트의 회전자는 각각 독립적으로 구성된 복수의 권선뭉치가 상기 축에 다단계의 적층 구조로 설치되고, 각 권선뭉치의 권선의 한 쪽 단부가 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제1 출력단자에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발전유니트 제어회로는 상호 병렬 접속 관계의 복수의 온/오프 스위치(S/W1∼S/W4)를 구비하고, 각 온/오프 스위치의 일측 단자는 상기 회전자의 복수의 권선뭉치의 다른 쪽 단부에 각각 연결되며, 온/오프 스위치의 타측 단자는 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제2 출력단자에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발전 유니트의 회전자는 복수의 권선뭉치가 축을 중심으로 축 주변에 자유롭게 배치되어 전체적으로 하나의 덩어리를 이루도록 구성되고, 각 권선뭉치의 권선의 한 쪽 단부는 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제1 출력단자에 공통으로 연결되며, 권선의 다른 쪽 단부는 상기 발전유니트 제어회로의 복수의 온/오프 스위치를 통해 상기 1차 전력변환기에 출력을 전달하는 단자 중 제2 출력단자에 공통으로 연결되는 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 수도관의 수압차를 이용한 마이크로 발전장치.
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