KR101097771B1 - 소형수력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형수력발전기에 관한 것으로, 축방향의 양단에 유체의 유입구와 유출구가 형성되며, 내주면에 고정자가 마련되는 외측하우징과, 상기 외측하우징의 내측에 회전가능하게 설치되며, 내주면에는 유입구로부터 유입되는 유체에 의해서 회전력을 받는 회전블레이드가 마련되고, 외주면에는 상기 고정자에 대해서 상대적으로 회전하여 전기를 발생시키는 회전자가 마련되어 있는 내측하우징를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성을 가짐으로 인해서, 내측하우징이 회전체와 발전기의 회전자 구성을 함께 구비하게 되며, 따라서 전체적인 부피를 감소시키고 구조를 단순화할 수 있다.

Description

소형수력발전기{Hydro-power Generator}

본 발명은 소형수력발전기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 회전운동을 일으키는 회전체와 발전기의 회전자를 일체로 형성함으로써 전체적으로 소형화할 수 있으며, 아울러 취급 및 설치가 용이한 소형수력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 떨어지는 물의 낙차를 이용하거나 물의 흐름을 이용하여 전기를 발생하는 수력발전장치는 강이나 댐 등에 설치되며, 대량으로 전기를 생산하기 위한 대형인 것이 대부분이다. 하지만 최근에는 에너지 절약을 목적으로 건물 등에 설치되어 소량의 전기를 제공하기 위한 소형발전기에 대한 요구가 높아지고 있으며, 이를 위해서 소형의 발전기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 연구의 일환으로 소형수력발전기에 관심이 모아지고 있는데, 종래의 소형수력발전기는 회전을 행하는 회전체와 이러한 회전을 이용하여 전기를 발생시키는 발전기를 별도로 구성해야 하기 때문에, 부피가 커져 소형화를 충분히 달성하지 못하거나, 이로 인해서 취급 및 설치가 용이하지 못한 문제점이 있었다.

예를 들면, 도 1에 도시된 것과 같은 종래의 소형수력발전기는, 유체가 흐르는 유체관(5) 내부에 회전체(2)를 설치하고, 회전축(3)을 통해서 회전체(2)의 회전을 발전기(4)로 전달하는 구조를 가지고 있다. 이러한 소형수력발전기는 유체가 발전기(4) 측으로 흐르지 못하게 하기 위해서 유체관(5)을 굽은 곡관 형태로 형성할 필요가 있었으며, 이로 인해서 소형수력발전기가 설치되는 장소에 제약을 받는 문제점이 있었다. 또한 유체를 유입 및 유출하기 위해서 유체관(5)의 입구 및 출구에 연결되는 배관이 직선상으로 놓이지 못하게 되어 배관의 배치에도 제약이 있었다. 그리고, 회전체(2)와 발전기(4)가 별도로 구성되기 때문에 그 자체로 부피가 커지기 때문에 충분한 소형화를 이룰 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 종래 소형수력발전기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전체와 발전기의 회전자를 일체로 형성하고, 유체의 흐름을 변경하지 않는 구조를 채택함으로써 소형화되고, 취급 및 설치가 용이한 소형수력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위에서 설명한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따르는 소형수력발전기는, 축방향의 양단에 유체의 유입구와 유출구가 형성되며, 내주면에 고정자가 마련되는 외측하우징과, 상기 외측하우징의 내측에 회전가능하게 설치되며, 내주면에는 유입구로부터 유입되는 유체에 의해서 회전력을 받는 회전블레이드가 마련되고, 외주면에는 상기 고정자에 대해서 상대적으로 회전하여 전기를 발생시키는 회전자가 마련되어 있는 내측하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성을 가짐으로 인해서, 내측하우징이 회전체와 발전기의 회전자 구성을 함께 구비하게 되며, 따라서 전체적인 부피를 감소시키고 구조를 단순화할 수 있다.

또한 본 발명에 따르는 소형수력발전기는, 상기 외측하우징에 고정되고 또한 상기 내측하우징의 내측에 축방향을 따라 배치되며, 그 외주면이 상기 회전블레이드와 일정 간격을 가지도록 배치되는 중심축을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성의 중심축에 의해서 내측하우징의 회전블레이드로 유체의 흐름을 안내하고 또한 유체의 압력을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 따르는 소형수력발전기에서, 상기 회전블레이드는 상기 내측하우징의 내주면에 원주방향을 따라서 복수개 형성되며, 축방향에 대해서 일정 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성을 가지는 회전블레이드에 축방향으로 유체가 닿게 되면 원주방향으로 향하는 힘이 발생되어 내측하우징이 회전하게 된다.

또한 본 발명에 따르는 소형수력발전기에서, 상기 회전블레이드는 축방향을 따라서 복수개의 열로 형성되며, 하나의 열에 형성되는 블레이드와 다른 열에 형성되는 블레이드는 서로 이웃하게 배치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해서 축방향으로 흐르는 유체가 서로 이웃하는 블레이드 모두에 닿게 되므로 회전효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명에 따르는 소형수력발전기는 상기 내측하우징의 회전자의 회전속도를 감지하는 속도감지센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 속도감지센서는 내측하우징의 속도를 감지하여, 유입되는 유체의 양을 조절하는 등 속도를 조절하는 기초 정보로 사용될 수 있다.

이러한 구성을 가지는 본 발명에 따르는 소형수력발전기는, 발전을 행하는 회전자와, 회전이 이루어지는 회전블레이드가 내측하우징에 일체로 형성되기 때문에, 종래의 소형수력발전기에 비해서 부피를 줄일 수 있으며, 그 결과 소형수력발전기를 충분히 소형화할 수 있다.

또한 본 발명에 따르는 소형수력발전기는 유체의 진행방향을 바꿀 필요가 없기 때문에 전체적인 구조가 단순하게 되며, 이로 인해서 취급 및 설치가 용이하다.

도 1은 종래의 소형수력발전기를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따르는 소형수력발전기의 단면도.
도 3은 도 2의 A-A 절취선에서 바라본 단면도로 코일을 제외한 상태를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따르는 소형수력발전기의 내측하우징을 나타내는 일부 절취 사시도.
도 5는 도 4의 B-B 절취선에서 바라본 단면도.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따르는 소형수력발전기의 구체적인 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따르는 소형수력발전기는 외측하우징(10) 및 내측하우징(20)으로 구성된다. 내측하우징(20)은 외측하우징(10)의 내부 공간에 회전가능하게 설치된다.

도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 외측하우징(10)은 축방향으로 긴 원통형상이며, 축방향 양단에 유입구(11) 및 유출구(12)가 형성되어 있다. 또한 외측하우징의 내주면에는 고정자(13)가 마련되어 있다. 고정자(13)는 중심에 공간이 형성된 원통형상이며, 얇은 판상의 복수개의 금속편(14)을 축방향을 따라서 적층시킴으로써 전체적으로 원통형상을 이룬다. 그리고 고정자(13)는 그 내주면에 원주방향을 따라서 일정 간격을 두고 홈(14a)이 형성되어 있다. 이 홈(14a)에는 코일(15)이 감겨져 있다.

또한 외측하우징(10)의 양단에는 밀봉캡(50)이 설치되며, 밀봉캡(50)에 의해서 외측하우징(10)과 내측하우징(20)의 사이의 공간으로 유체가 유입되지 않도록 한다.

내측하우징(20)은 도 2에 도시된 것과 같이 축방향으로 긴 원통형상이며, 외측하우징(10)의 내부 공간에 축방향으로 설치된다. 내측하우징(20)의 양단 외주면에는 베어링(16)이 설치되어 있으며, 베어링(16)을 통해서 외측하우징(10)과 회전가능하게 연결된다. 내측하우징(20)의 내부 공간으로는 유체가 축방향으로 흐르게 된다.

또한 내측하우징(20)의 외주면에는 회전자(21)가 마련된다. 회전자(21)는 외측하우징(10)에 형성된 고정자(13)와 대응하는 위치에 배치된다. 회전자(21)는 도 4에 도시된 것과 같이 복수개의 자성부재로 이루어지며, 내측하우징(20)의 회전에 의해서 회전자(21)가 회전하게 되면, 회전자(21)의 자력변화에 의해서 코일(15)에 전기가 발생하게 된다. 본 실시형태에서는 회전자(21)가 자성부재인 것으로 설명하고 있으나, 부러쉬(41)에 의해서 자성을 띄는 금속부재이어도 된다.

내측하우징(20)의 내주면에는 원주방향을 따라서 복수개의 회전블레이드(22)가 마련된다. 회전블레이드(22)는 축방향에 대해서 일정 각도 경사져 있다. 본 실시형태에서는 30° 기울인 형상을 가지고 있으나, 이는 설계에 따라서 변경될 수 있다. 이러한 회전블레이드(22)는 축방향으로 흐르는 유체에 의해서 원주방향으로 작용하는 힘을 받게 되고, 이로 인해서 회전블레이드(22)가 설치된 내측하우징(20)이 회전하게 된다. 그 결과 내측하우징(20)의 외주면에 형성된 회전자(21)가 고정자(13)에 대해서 상대적으로 이동하게 되어 코일(15)에서 전기가 발생하게 된다.

또한, 도 2 내지 도 5에 도시된 것과 같이 회전블레이드(22)는 축방향을 따라서 복수개의 열로 형성된다. 또한 하나의 열에 형성되어 있는 회전블레이드(22)는 다른 열에 형성되어 있는 회전블레이드(22)와 이웃하는 위치에 형성된다. 여기서 이웃하게 위치된다는 것은 축방향의 동일선상에 위치되지 않는다는 것을 말한다. 구체적으로, 도 1에서 좌측에서 첫 번째 열의 회전블레이드(22a)는 가운데 위치하지만, 좌측에서 두 번째 열의 회전블레이드(22b)는 첫 번째 열의 회전블레이드(22a) 보다 원주방향으로 5°만큼 이웃한 위치에 위치하게 된다. 또한 다른 열의 회전블레이드들도 원주방향으로 5°만큼 서로 이웃하게 형성된다. 각 열에 형성되어 있는 회전블레이드(22)를 서로 이웃하게 배치함으로써 축방향으로 흐르는 유체가 간섭을 일으키지 않고 각각의 회전블레이드(22)와 부딪치게 된다. 따라서 회전블레이드(22)에 의한 회전력을 효율 높게 얻어 낼 수 있다. 한편, 회전블레이드(22)는 별도로 제작하여 내측하우징(20)에 조립되거나 또는 내측하우징(20)에 일체로 형성할 수 있다. 내측하우징(20)의 내주면에 회전블레이드(22)를 일체로 형성하기 위해서는 CNC 가공장치가 사용될 수 있다.

이와 같이 내측하우징(20)의 외주면 및 내주면에 회전자(21) 및 회전블레이드(22)가 형성됨으로 인해서, 종래와 같이 회전체와 발전기를 별도로 구성할 필요가 없게 된다. 따라서 이로 인해서 소형수력발전기의 부피가 감소되고 소형화를 달성할 수 있다. 또한 이러한 구성을 가짐으로 인해서 전체적인 형상이 원통형상을 가지므로, 구조가 단순하게 된다.

한편, 도 2 내지 도 3에 도시된 것과 같이 내측하우징(20)의 내부공간에는 중심축(30)이 삽입되어 있다. 중심축(30)은 유입구(11)측 선단에서 직경이 점점 좁아지는 형상을 가지고 있다. 또한 중심축(30)의 외주면은 내측하우징(20)의 내주면에 형성된 회전블레이드(22)의 끝단과 일정 간격을 가지도록 배치되어 있다.

한편, 중심축(30)은 외측하우징(10)의 유출구(12) 측에 설치되어 있는 밀봉캡(50)에 삽입되어 고정되는 고정부재(31)와 연결된다. 즉, 중심축(30)은 고정부재(31)를 통해서 외측하우징(10)에 고정된다. 이러한 구성에 의해서 중심축(30)은 유체가 흐르더라도 회전하지 않고 고정되게 된다.

이러한 중심축(30)은 유입구(11)로부터 유입되는 유체를 회전블레이드(22) 측으로 안내하는 역할을 한다. 또한 유입구(11)측 선단의 형상으로 인해서, 유체가 유출구(12) 측으로 흐르는 동안 공간이 좁아지게 되어 유체의 압력을 증가시킨다. 이로 인해서 회전블레이드(22)는 더 큰 회전력을 얻을 수 있다.

또한 도 1에 도시된 것과 같이, 내측하우징(20)과 외측하우징(10)과의 사이의 공간에는 속도감지센서(40)가 설치된다. 속도감지센서(40)는 내측하우징(20)의 회전속도를 감지하고, 이를 유체의 흐름을 제어하는 제어기(미도시)에 보내게 된다. 제어기는 회전속도를 감지하여 회전속도에 따라서 유입구(11)로 유입되는 유체의 양을 조절한다. 예를 들어, 속도감지센서(40)에서 감지된 내측하우징(20)의 회전속도가 너무 빨라서 손상이 예상되어 회전속도를 줄일 필요가 있는 경우, 밸브의 개도 등을 조절하여 유입구(11) 측으로 유입되는 유체의 양을 감소시키게 된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명에 따르는 소형수력발전기는 축방향으로 길이가 긴 원통형상의 단순한 구조를 가지고 있으며, 유입구(11) 측을 유체가 배출되는 배관에 접속하기만 하면 전기를 얻을 수 있다. 따라서 취급 및 설치가 용이한 이점이 있기 때문에 저수지의 배수관이나 건물의 배수관에 설치하여 간단하게 발전을 행할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 소형수력발전기에 대해서 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이 실시형태들에 한정된 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.

예를 들면, 본 실시형태에서는 회전블레이드(22)가 직선형상을 가지고 있으나, 유체의 흐름을 용이하게 하면서 회전력을 극대화할 수 있다면 곡선형상 또는 에어포일 형상을 가질 수 있다.

10 : 외측하우징 11 : 유입구
12 : 유출구 13 : 고정자
14 : 금속편 15 : 코일
16 : 베어링 20 : 내측하우징
21 : 회전자 22 : 회전블레이드
30 : 중심축 31 : 고정부재
40 : 속도감지센서 41 : 부러쉬
50 : 밀봉캡

Claims (5)

1. 축방향의 양단에 유체의 유입구와 유출구가 형성되며, 코일이 감겨져 있는 고정자가 내주면에 마련되는 외측하우징과,
   상기 외측하우징의 내측에 회전가능하게 설치되며, 내주면에는 유입구로부터 유입되는 유체에 의해서 회전력을 받는 회전블레이드가 마련되고, 외주면에는 상기 고정자에 대해서 상대적으로 회전하여 상기 고정자의 코일에 전기를 발생시키는 회전자가 마련되어 있는 내측하우징과,
   상기 내측하우징의 회전자의 회전속도를 감지하는 속도감지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형수력발전기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 외측하우징에 고정되고 또한 상기 내측하우징의 내측에 축방향을 따라 배치되며, 그 외주면이 상기 회전블레이드와 일정 간격을 가지도록 배치되는 중심축을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형수력발전기.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 회전블레이드는 상기 내측하우징의 내주면에 원주방향을 따라서 복수개 형성되며, 축방향에 대해서 일정 각도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 소형수력발전기.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 회전블레이드는 축방향을 따라서 복수개의 열로 형성되며, 하나의 열에 형성되는 블레이드와 다른 열에 형성되는 블레이드는 서로 이웃하게 배치되는 것을 특징으로 하는 소형수력발전기.
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