KR101091654B1

KR101091654B1 - 낙차수압을 이용한 수력발전 시스템

Info

Publication number: KR101091654B1
Application number: KR1020090033463A
Authority: KR
Inventors: 이동거
Original assignee: 이동거
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2011-12-08
Also published as: KR20100114990A

Abstract

본 발명의 수력발전 시스템은, 하천수를 이용하여 전기를 생산하는 수력발전 시스템에 있어서, 수력발전을 위한 설비를 장착하는 바지선(10); 상기 바지선에 장착되고, 한쪽 단부는 수중보(200) 상단부에 위치하고 다른쪽 단부는 바지선의 물 낙하부(15)에 위치하며, 하천수가 흐르도록 하기 위한 경사진 한 쌍의 수로(20); 상기 수로를 따라 흐르는 하천수에 의하여 회전하도록 복수개의 터빈 날개(302)를 갖는 최소한 하나 이상의 터빈(30); 상기 터빈의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 차동장치(60); 및 상기 차동장치에 연결되어 회전함으로써 전기를 생산하는 발전기(50)로 이루어진다. 터빈(30)에는 복수개의 터빈 날개(302)가 구비되고, 흐르는 물의 압력을 최대한 받을 수 있도록 일정한 곡률반경을 갖는 형상으로 이루어진다.

수중보, 수력발전, 수력발전 시스템, 터빈, 바지선, 차동장치, 발전기

Description

낙차수압을 이용한 수력발전 시스템{Hydraulic Power Plant System Using Flowing Water}

제1도는 본 발명에 따른 수중보에서의 낙차수압을 이용한 수력발전시스템의 개략적인 사시도이다.

제2도는 제1도의 수력발전 시스템의 개략적인 측면도이다.

제3도는 본 발명에 사용되는 수로와 터빈을 설치하지 않은 바지선의 개략적인 평면도이다.

제4도는 제1도의 개략적인 평면도이다.

제5도는 수로와 터어빈의 개략적인 평면도이다.

제6도는 본 발명의 한 구체예에 따른 터어빈의 개략적인 측면도이다.

제7도는 본 발명의 다른 구체예에 따른 터어빈의 개략적인 측면도이다.

제8도는 제7도의 터어빈 날개의 개략적인 정면도이다.

제9도는 수중보의 상단부에 설치되는 수위조절 장치의 개략적인 측면도이다.

제10도는 제9도의 수위조절 장치가 상단부에 밀착된 상태의 개략적인 측면도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

5 : 수중보 10 : 바지선

11 : 바지선 갑판 12 : 바지선 하부

13, 14 : 앵커(anchor) 15 : 물 낙하부

20 : 수로 30 : 터어빈

50 : 발전기 60: 차동장치

90 : 수위조절장치 91 : 모터

92 : 스크류 100 : 수력발전 시스템

301 : 터어빈 축 302 : 터어빈 날개

발명의 분야

본 발명은 수력발전 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 우리나라의 일반적인 하천의 수중보와 같이 낙차가 작은 하천수를 이용하여 수력발전을 할 수 있는 새로운 수력발전 시스템 관한 것이다.

발명의 배경

수력발전은 일반적으로 댐을 건설하여 댐으로부터 낙하되는 낙차가 큰 수량을 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 것이다. 따라서 낙차가 작은 하천수인 경우에는 터빈을 돌린다는 것이 거의 불가능하거나 터빈의 회전속도를 빠르게 할 수 없기 때문에 경제성이 거의 없는 것으로 판단하여 왔다. 특히 우리나라와 같이 완만한 경사도를 갖는 대부분의 하천에서는 수력발전은 상상도 하지 못할 대상이었다. 그 결과 하천에서는 천연에너지라 할 수 있는 수자원을 그대로 바다로 흘러가게 하고 있다.

우리나라 대부분의 하천에는 일정 간격으로 수중보가 설치되어 있다. 수중보는 가뭄이나 홍수에 대비하기 위하여 필요한 위치에 상당히 많이 설치되어 있다.

본 발명자는 우리나라 하천의 수중보와 같이 낙차가 크지 않은 곳에서의 하천수를 이용하여 수력발전을 할 수 있다면 무한한 에너지를 생산할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명의 수력발전 시스템을 개발하기에 이른 것이다.

경사도가 완만한 하천에서 흐르는 하천수를 이용하여 수력발전을 하고자 하는 연구와 시도는 끊임없이 진행되어 왔다. 특허출원 제2004-6572호에서는 바지선을 하천수의 수면위에 부유시키고 터빈에 해당하는 활차를 설치하여 그 활차를 회전시키고 발전기를 통해 전기를 생산하는 부유식 수력발전 장치를 개시하고 있다. 이 특허출원은 흐르는 하천수에 의하여 활차를 회전시키기 때문에, 비록 다수개의 활차를 설치하여 회전시킨다 하더라도 경제성을 갖기 어렵다.

특허출원 제2007-89015호에서는 상기 특허출원과 마찬가지로 바지선에 해당하는 부유체와 활차에 해당하는 수차를 설치하여 그 수차를 흐르는 하천수로 회전 시켜 전기를 얻고자 하는 부유식 수력발전 장치에 대하여 개시한다. 이 특허출원의 발명도 상기 특허출원의 발명과 거의 유사한 문제점을 내포하고 있다.

특허출원 제2006-1236호는 낙차가 작은 하천수를 이용하여 수력발전을 할 수 있는 수력발전 장치를 개시한다. 하지만 이 특허출원의 수력발전장치는 그 구조가 복잡하고 구체적인 구조와 작동방법 등이 개시되어 있지 않기 때문에 실시가 어렵고 설치한다 하더라도 경제성에 의문이 든다고 하겠다.

이에 본 발명자는 하천의 수중보, 특히 3m 정도의 낙차를 갖는 수중보에서 낙하되는 하천수를 이용하여 전기를 양산할 수 있는 수력발전 시스템을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 낙차가 작은 하천수를 이용하여 전기를 생산하기 위한 새로운 수력발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 하천의 수중보 하류에 설치하여 낙차가 작은 하천수로 전기를 생산할 수 있는 수력발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 수로에 하나 이상의 터어빈을 직렬로 설치하여 낙차가 작은 하천수로 전기를 생산할 수 있는 수력발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 수중보의 상단면에 수위조절장치를 설치함으로써 이용할 수 있는 하천수의 양을 크게 함으로써 전력생산의 효율을 높일 수 있는 수 력발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

발명의 요약

본 발명의 수력발전 시스템은, 최소한 3 m 높이의 수중보 하류에 설치하여 수중보로 흐르는 하천수를 이용하여 전기를 생산하는 수력발전 시스템에 있어서, 수력발전을 위한 설비를 장착하는 바지선(10); 상기 바지선에 장착되고, 한쪽 단부는 수중보(200) 상단부에 위치하고 다른쪽 단부는 바지선의 물 낙하부(15)에 위치하며, 하천수가 흐르도록 하기 위한 경사진 한 쌍의 수로(20); 상기 수로를 따라 흐르는 하천수에 의하여 회전하도록 복수개의 터어빈 날개(302)를 갖는 최소한 하나 이상의 터빈(30); 상기 터어빈의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 차동장치(60); 및 상기 차동장치에 연결되어 회전함으로써 전기를 생산하는 발전기(50)로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.

바지선의 후미에는 수로(20)를 통하여 흐른 물이 하천으로 흐르도록 물 낙하부(15)가 형성되고, 그 물 낙하부의 상부에는 발전기(50)와 같은 발전설비가 설치된다.

수중보(200)가 약 3m 높이의 낙차를 갖는 경우에 수로(20)는 약 7∼10m 정도의 경사진 수로를 이루는 것이 바람직하며, 그 수로 위에는 제1도 및 제2도와 같이 각각의 수로에 2개의 터빈(30A, 30B)을 설치하는 것이 바람직하다.

상기 한 쌍의 수로(20)는 바지선의 갑판으로부터 들려지고 누워질 수 있도록 각각의 수로 하부에 유압실린더(40)를 포함한다.

바지선의 하부(12)에는 바지선의 평형을 유지하도록 물이 유입될 수 있는 공간 구조를 갖는 복수개의 공간 구역으로 이루어진다.

바지선의 선단에는 바지선의 위치를 고정시키는 앵커(14)가 구비되고, 하천의 바닥면에 접촉하는 4개의 앵커(13)가 바지선의 각 모서리에 구비된다.

터어빈(30)에는 복수개의 터어빈 날개(302)가 구비되고, 흐르는 물의 압력을 최대한 받을 수 있도록 일정한 곡률반경을 갖는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

차동장치(60)는 터어빈의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 것으로 증속기어(도시되지 않음)를 포함함으로써 발전기의 회전속도를 크게 할 수 있다.

수로(20)에는 물이 모여서 많은 양의 물이 일정하게 흐르게 하기 위하여 수중보(5) 상단부에 수위조절장치(90)를 별도로 설치하여야 한다. 수위조절장치는 그 높이를 조절할 수 있도록 모터(904)와 스크류(903)를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 구체적인 내용을 하기에 상세히 설명한다.

발명의 구체예에 대한 상세한 설명

본 발명은 수력발전 시스템에 관한 것으로, 우리나라의 일반적인 하천의 수 중보와 같이 낙차가 작은 하천수를 이용하여 수력발전을 할 수 있는 새로운 수력발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 하천의 수중보, 특히 3m 정도의 낙차를 갖는 수중보에서 낙하되는 하천수를 이용하여 전기를 양산할 수 있는 수력발전 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 수력발전 시스템은, 최소한 3 m 높이의 수중보 하류에 설치하여 수중보로 흐르는 하천수를 이용하여 전기를 생산하는 수력발전 시스템에 있어서, 수력발전을 위한 설비를 장착하는 바지선(10); 상기 바지선에 장착되고, 한쪽 단부는 수중보(200) 상단부에 위치하고 다른쪽 단부는 바지선의 물 낙하부(15)에 위치하며, 하천수가 흐르도록 하기 위한 경사진 한 쌍의 수로(20); 상기 수로를 따라 흐르는 하천수에 의하여 회전하도록 복수개의 터빈 날개(302)를 갖는 최소한 하나 이상의 터빈(30); 상기 터빈의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 차동장치(60); 및 상기 차동장치에 연결되어 회전함으로써 전기를 생산하는 발전기(50)로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 수중보에서의 낙차수압을 이용한 수력발전시스템의 개략적인 사시도이고, 제2도는 제1도의 수력발전 시스템의 개략적인 측면도이다.

제1도 및 제2도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수력발전 시스템은, 최소한 3 m 높이의 수중보 하류에 설치하여 수중보로 흐르는 하천수를 이용하여 전기를 생산하는 수력발전 시스템으로, 수력발전을 위한 모든 설비는 바지선(10) 위에 설치된다. 바지선은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있고, 제3도에는 본 발명에 사용되는 수로와 터빈을 설치하지 않은 바지선의 개략적인 평면도를 도시하였다.

바지선의 후미에는 수로(20)를 통하여 흐른 물이 하천으로 흐르도록 물 낙하부(15)가 형성되고, 그 물 낙하부의 상부에는 발전기(50)와 같은 발전설비가 설치된다. 바지선의 하부(12)에는 바지선의 평형을 유지하도록 물이 유입될 수 있는 공간 구조를 갖는 복수개의 공간 구역으로 이루어진다. 바지선의 선단에는 바지선의 위치를 고정시키는 앵커(14)가 구비되고, 하천의 바닥면에 접촉하는 4개의 앵커(13)가 바지선의 각 모서리에 구비된다. 이들 앵커(13)는 수위 변동에 따라 자동으로 상하 조절이 가능한 시스템으로 구성되며, 이 시스템은 유압 또는 기어나 체인을 이용하여 작동시킴으로써 바지선 앵커의 상하조절을 할 수 있도록 한다. 홍수시에는 4개의 앵커를 올리고 엔진을 가동시켜 바지선을 안전한 장소로 대피시킬 수 있다.

바지선의 하부에 형성된 공간 구조를 갖는 복수개의 공간 구역은 하천수를 유입하거나 배출할 수 있는 구조로 이루어지고, 이는 바지선의 평형을 유지하기 위한 것이다. 바지선 하부의 이러한 구조와 복수개의 공간 영역으로 물을 유입하거나 배출시켜 바지선의 평형을 유지하는 일은 본 발명이 속하는 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.

바지선의 선단부에 설치된 앵커(14)는 바지선이 이동하지 않고 고정된 장소에 위치하기 위한 것으로 로우프(도시되지 않음) 등과 같은 연결 수단에 의해 수중보에 연결하거나, 지중에 앵커를 박아서 고정시킬 수도 있다. 바지선의 각 모서리에 구비되는 4개의 앵커(13)는 하천의 바닥면에 접촉하여 바지선을 고정시킨다. 평 소의 발전 상태에서는 이 4개의 앵커가 하천의 바닥면에 고정된다. 하지만 홍수시와 같이 하천의 수위가 높아지는 경우에는 이 4개의 앵커가 하천 바닥면으로부터 부유하여 바지선 및 바지선에 설치된 모든 발전설비를 보호할 수 있다. 다시 말해서 홍수시에도 바지선이 물에 잠기지 않도록 함으로써 모든 설비를 안전하게 보호할 수 있다.

상기 바지선(10)에는 한 쌍의 수로(20)가 설치된다. 즉 수로는 한쪽 단부가 수중보(200) 상단면에 위치하고 다른쪽 단부는 바지선의 물 낙하부(15)에 위치하며, 하천수가 흐르도록 하기 위한 것이다. 제4도는 수로를 도시하기 위한 제1도의 개략적인 평면도이고, 제5도는 수로와 터빈의 개략적인 평면도이다. 수중보(200)가 약 3m 높이의 낙차를 갖는 경우에 수로(20)는 약 7∼10m 정도의 경사진 수로를 이루는 것이 바람직하며, 그 수로 위에는 제1도 및 제2도와 같이 각각의 수로에 2개의 터빈(30A, 30B)을 설치하는 것이 바람직하다.

상기 한 쌍의 수로(20)는 바지선의 갑판으로부터 들려지고 누워질 수 있도록 각각의 수로 하부에 유압실린더(40)를 포함한다. 각각의 수로에는 가각각의 유압실린더가 설치되는 것이 바람직하다. 한 쌍의 수로는 바지선이 이동하는 경우에 갑판에 누워지도록 유압실린더를 작동시키고, 수중보에 설치하는 경우에 유압실린더에 의해 들려진 후 점차로 낮추면서 수중보 상단면에 위치하도록 작동한다.

상기 한 쌍의 수로는 그 위로 하천수가 흐르게 되고, 그 흐르는 물에 의하여 터빈(30A, 30B)을 돌리게 된다. 수로(20)는 물이 흐르도록 "ㄷ"자 형상으로 이루어지고, 그 길이는 수중보의 낙차에 따라 변경될 수 있지만, 수중보의 낙차가 대략 3m인 경우에 대략 7∼10m 정도의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 수중보의 상단면에 접촉하는 수로의 상단부는 수로로 흐르는 물의 양을 최대로 하기 위하여 깔대기 모양으로 형성하는 것이 바람직하다.

수로(20)는 수중보(200)에 위치하는 상단부는 "ㄷ"자 형상으로 이루어져 많은 양의 물이 유입되도록 하고, 터어빈이 위치하는 부분의 수로(20)는 제8도와 같이 "V"자형과 같이 하부로 갈수록 수로폭이 좁아지게 하는데, 이는 이렇게 함으로써 유속을 빠르게 하여 터어빈을 빠른 속도로 돌리기 위함이다.

각각의 수로에는 통상 2개의 터빈(30A, 30B)을 설치하는 것이 바람직하다. 그러나 수로가 더 긴 경우에는 3개 또는 4개의 터어빈을 설치하여 더 많은 전기를 생산할 수도 있다. 하지만 수로위에 설치되는 터어빈의 간격이 너무 좁은 경우에는 물의 흐름 속도가 크지 않아 오히려 비효율적인 경우가 있기 때문에 적절한 터빈의 수와 간격을 유지하는 것이 바람직하다.

제6도는 본 발명의 한 구체예에 따른 터어빈의 개략적인 측면도이다. 제6도의 터어빈의 보다 간단한 구조를 갖는 터어빈으로 이러한 구조의 터어빈도 사용될 수 있다. 이 터어빈에서의 날개의 각도는 약 30도를 이루는 것이 바람직하다.

제7도는 본 발명의 다른 구체예에 따른 터빈의 개략적인 측면도이고, 제8도는 제7도의 터빈 날개의 개략적인 정면도이다. 이 터빈도 날개(302)에 개구가 형성되지 않은 간단한 구조이지만, 날개가 숟가락처럼 오목한 형상을 이룸으로써 보다 큰 수압을 받을 수 있다.

차동장치(60)는 터빈의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 것으로 증속기어 (도시되지 않음)를 포함함으로써 발전기의 회전속도를 크게 할 수 있다. 차동장치는 터어빈의 회전력을 발전기에 전달하여 궁극적으로 발전기를 회전시켜 전력을 생산하기 위한 것이다. 터어빈의 회전력을 증속할 수 있도록 증속기어가 차동장치에 포함되는 것도 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.

수로(20)에는 물이 모여서 많은 양의 물이 일정하게 흐르게 하기 위하여 수중보(5) 상단부에 수위조절장치(90)를 별도로 설치하여야 한다. 수위조절장치는 그 높이를 조절할 수 있도록 모터(91)와 스크류(92)를 포함한다. 제9도는 수중보의 상단부에 설치되는 수위조절 장치의 개략적인 측면도이고, 제10도는 제9도의 수위조절 장치가 상단부에 밀착된 상태의 개략적인 측면도이다.

수중보(5) 상단부에 수위조절장치(90)가 별도로 설치되지 않는다면 수중보를 통과하는 수량이 적어져서 터어빈을 돌릴 수 없게 된다. 따라서 수로(20)에 충분한 양의 물이 흐르도록 수위조절장치를 수중보의 상단면을 따라 설치하여야 한다. 모터(91)와 스크류(92) 등을 포함하는 수위조절장치(90)는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.

수위조절장치는 그 높이가 약 100∼300 mm 정도로서 홍수시와 같이 수량이 증가하는 경우에는 제10도와 같이 수위조절장치가 수중보 상단부에 밀착된 상태가 되도록 한다.

수로의 길이가 10m이고, 폭이 2m이고, 높이가 1m인 경우에, 직렬로 배열된 2기의 터어빈이 250kW의 용량을 갖는다면, 발전기는 0.5MW의 전력을 생산할 수 있 다.

본 발명은 우리나라와 같이 경사가 완만하여 수많은 수중보가 설치되어 있는 환경에서는 거의 대부분의 수중보 하류에 설치하여 전력을 생산할 수 있다.

본 발명은 하천의 수중보 하류에 설치하여 낙차가 작은 하천수로 전기를 생산할 수 있고, 수로에 하나 이상의 터어빈을 직렬로 설치하여 낙차가 작은 하천수로 많은 전기를 생산할 수 있으며, 수중보의 상단면에 수위조절장치를 설치함으로써 이용할 수 있는 하천수의 양을 크게 함으로써 전력생산의 효율을 높일 수 있는 수력발전 시스템을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

수중보 하류에 설치하여 수중보로 흐르는 하천수를 이용하여 전기를 생산하는 수력발전 시스템에 있어서,

수력발전을 위한 설비를 장착하는 바지선(10);

상기 바지선에 장착되고, 한쪽 단부는 수중보(200) 상단부에 위치하고 다른쪽 단부는 바지선의 물 낙하부(15)에 위치하며, 하천수가 흐르도록 하기 위한 경사진 한 쌍의 수로(20);

상기 수로를 따라 흐르는 하천수에 의하여 회전하도록 복수개의 터어빈 날개(302)를 갖는 최소한 하나 이상의 터빈(30);

상기 터어빈의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 차동장치(60); 및

상기 차동장치에 연결되어 회전함으로써 전기를 생산하는 발전기(50);

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 바지선의 하부(12)에는 바지선의 평형을 유지하도록 물이 유입될 수 있는 공간 구조를 갖는 복수개의 공간 구역으로 이루어지고, 바지선의 선단에는 바지선의 위치를 고정시키는 앵커(14)가 구비되고, 하천의 바닥면에 접촉하는 4개의 앵커(13)가 바지선의 각 모서리에 구비되고, 바지선의 후미에는 수로(20)를 통하여 흐른 물이 하천으로 흐르도록 물 낙하부(15)가 형성되고, 그 물 낙하부의 상부에는 발전기(50)와 같은 발전설비가 설치되는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 수중보(200)가 3m 높이의 낙차를 갖는 경우에 수로(20)는 7∼10m정도의 경사진 수로를 이루고, 그 수로 위에는 각각의 수로에 2개의 터빈(30A, 30B)을 설치하는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 수로(20)는 바지선의 갑판으로부터 들려지고 누워질 수 있도록 각각의 수로 하부에 유압실린더(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 터빈(30)에는 복수개의 터빈 날개(302)가 구비되고, 흐르는 물의 압력을 최대한 받을 수 있도록 일정한 곡률반경을 갖는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 차동장치(60)는 터빈의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 것으로 증속기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 수로(20)에는 물이 모여서 터빈을 돌릴 수 있을 정도의 수량의 물이 일정하게 흐르게 하기 위하여 수중보(200) 상단부에 설치되는 수위조절장치(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.
제7항에 있어서, 상기 수위조절장치(90)는 모터(904)와 스크류(903)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 시스템.