KR101183378B1 - 소수력발전용 수차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천이나 바다에서 자연 수력을 이용하여 소수력발전이 가능하도록 하는 수차구동축(10)에 대한 발명이다. 본 발명은 하나 이상의 다중나선이 원통 형상으로 구성된 수차구동축(10)으로서, 하나 이상의 다중나선 내주 면에 하나 이상의 날개(20)를 연속 부착한 수차구동축(10), 수차구동축(10)의 운동에너지를 전기에너지로 변환 시키는 발전기(30)를 구동하는 것으로서, 수차 중심부의 중심축을 제거하여, 난류의 유수의 좌우상하 운동을 원활하도록 하고, 중심축에 의한 와류발생을 감소시켜 충격에너지를 극대화하며, 부유물질이 중심축에 걸리는 보수문제를 해결하였고, 수차구동축(10)을 최적의 수심으로 조정 가능한 부력 구(40)를 장착하여, 지형에 따른 수차구동축(10)의 수심 위치를 조정하여, 하천이나 바다를 운항하는 선박의 수심 이하에서, 구동하여 선박의 안전항해를 보장하며. 하천이나 바다의 자연수력에 의한 운동 에너지를 소수력발전에 이용하는 것을 특징으로 한다.

Description

소수력발전용 수차{Multy Screw Type Hydraulic Turbine}

본 발명은 수력발전용 수차에 관한 것으로, 상세하게는 유량이 풍부한 하천, 바다에서 큰 유량의 유속을 이용하여 수력발전의 소기 목적을 이루고 저 사용되는, 수차에 관한 것이다.
본 발명은 특히 수력발전에 사용되는 것이 유리하지만 이것에 한정되지는 않는다.
본 발명은 또 풍력발전풍차 또는 추진장치로서의 사용에 적합하다.

수력을 유효하게 이용하여 수력발전을 이루는 방법에서는, 유량과 낙차의 2가지 요소에 의하여 수력발전을 이룬다.
큰 낙차를 얻기 위해 수로, 댐 형 발전소를 건설하여, 큰 낙차를 발생시켜 낙차를 이용하여 수력발전에 이용하였다.
큰 낙차에 의한 발전용으로 펠 톤 수차, 중 낙차용으로 프란시스 수차, 저 낙차용으로 프로펠러 수차 등이 사용되고 있으며, 유량이 풍부한 하천 바다에서는 큰 유량의 유속를 이용한, 수력발전은 프로펠러 수차를 이용하거나, 평판 날개 수차(물레방아 형상)를 이용하여 수력 발전에 이용하고 있다.
하천, 바다는 좌우상하 난류 형태로 진행하는 풍부한 유량과 유속을 가지며, 이러한 풍부한 수력 에너지를 이용하는 방법으로, 평판 터빈 날개 수차나 프로펠러 수차를 이용하여, 수력에 의한 소수력발전을 하였으나, 평판 터빈 날개 수차는 중심축 상단 이상의 구조물을 설치하여야 하며, 발전효율을 높이기 위해 보 형태의 토목 구조물을 설치하므로, 전력생산량에 비례하여 고비용의 투자, 환경피해를 감수하여야, 목적을 이룰 수 있다.
프로펠러 수차는 수중에 수차용 지지 구조물을 설치 고정하고, 좌우상하로 흐르는 난류의 유입 방향으로, 프로펠러 수차를 위치 제어해야 하는 시스템이 필요하며, 중심축에 의하여 역류가 발생 되어 역류부하로 인한 충격력의 효율이 떨어진다.
또 지지대 구조물과 중심축에 부유물이 집적되어, 발전 효율감소의 원인이 되며, 구조물 설치에 의한 수중 환경훼손 등의 단점이 있다.
바다의 해류는 풍부한 유량과 강한 유속의 운동에너지를 이용함에 있어, 종래의 기술로서는 수력발전의 목적에 부족하였다. 계곡 강 바다의 풍부한 자연에너지를 이용한 친환경적이며, 경제적인 수력발전 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 발명으로, 기존의 수력발전용 수차는 수차가 회전되는 운동에너지를, 수차의 중심축에 의하여 발전기를 회전시켜 발전하였다.
중심축이 회전되는 수차는, 인공적으로 구조물을 설치하여야 안정적으로 수차를 구동할 수 있으며, 수차의 회전반경이 넓어지므로 중심축으로 모이는 큰 하중을 지지할 수 있도록, 중심축의 구경이 확대되므로, 중심축에 의한 와류현상이 근접한 날개에 발생 되어, 수차의 효율이 감소하는 단점이 되었다.
하천이나 바다를 이용한, 수력발전에서 종래의 방법으로는, 수력발전의 목적을 이루는 하나의 방법 일수는 있으나. 수력발전의 경제성에 비례하여 투자비용, 자연 훼손 등의 이유로 활성 되지 못하였다.
본 발명은 수차 중심축을 제거하고, 하나 이상의 다중나선으로 중심축을 구성하고, 다중나선 내측에 날개를 연속부착하여, 소폭의 회전반경에서도 고효율의 수력발전 효과를 발생토록 하였다.
인공 시설물의 설치가 필요 없이, 수면에 부상하여, 하천이나 바다의 수류 흐름에 따라 상하 좌우로 움직이도록 하면서, 하천이나 바다의 수력에너지를 이용하여, 경제적이고 친환경적인 수력발전의 목적을 이루고자 하는 발명이다.

이에 따라서, 본 발명은 하천,바다의 유동하는 유체의 운동에너지를 이용하기 위한
수력 발전장치로서, 발전기와 상기 발전기의 회전축을 회전시키는 수차구동축; 상기 발전기와 수차구동축을 일정한 수심으로, 유지하는 부력 구;가 설치된 수력 발전장치로서; 상기 발전기의 회전축을 회전시키도록 연결된, 수차구동축은 하나 이상의 다중나선이 원통 형상으로 구성된 수차구동축; 하나 이상의 다중나선 수차구동축 내주면 에 하나 이상의 날개를 연속 부착한 수차구동축; 및 발전기와 수차 구동축의 수심을 적절히 유지하는 부력 구를 가진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수차구동축은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 중심축에 의하여 전달되는 구동력을, 하나 이상의 다중나선으로 구성된, 수차구동축으로 구동력을 분산하여 전달할 수 있어, 중심축에 의한 와류현상을 최소화하여 발전 효율을 좋게 한다.
둘째, 수차구동축 내주 면에 연속부착된 날개를 외부충격으로부터 보호하므로, 시설유지 보수가 경제적이다.
셋째, 기존의 수차회전반경에 비하여, 소폭의 회전반경에서도 높은 효율의 발전효과가 있다.
넷째, 수차 지지구조물을 최소화하고, 수차구동축의 자체 부력과 일정수심을 유지하는 부력 구에 의하여 최적의 수심을 유지하면서, 수차구동축의 날개의 충격 에너지로 회전하는 수차구동축으로, 발전기를 회전시켜 수력발전을 이룰 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시 예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예로 구성된 수력 발전장치로서, 발전기(30), 수차구동축(10), 날개(20), 부력 구(40)로 구성되었다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명을 적용한 수차구동축(10)은, 하나 이상의 다중 나선이 원통 형상으로 구성된 수차구동축(10)으로, 수차구동축(10)의 내주 면에 부착된 날개(20)의 항력을, 하나 이상의 다중나선으로 분산시켜, 발전기(30)기의 중심축으로, 회전력을 전달하는, 다중나선 형상의 축으로 이용되며, 또한 하나 이상의 날개(20)가 연속 부착된 날개(20) 지지대로도 이용한다.
수차구동축(10)은 원형 봉 관의 형상으로, 중심부분에 공기를 충전하여 부력을 가지도록 하며, 동력 케이블, 제어케이블의 배선 관로로도 이용된다.
수차구동축(10)을 날개(20)지지대로 이용함으로, 유수의 유속 충격력에 진동이나 충격을 흡수하고, 완충 복원력이 우수한 재질로 구성된다.
또한 난류의 유수를 날개(20)로 모아주는 안내 깃의 작용도 한다,
수차구동축(10) 제작방법의 일 실시 예로서, 원형 파이프를 원통 나선형상으로 가공하며, 가공시 나선 피치 간격은, 수차구동축(10) 평면의 원주에 비례하여, 하나 이상의 날개(20)의 이격을 유지하여야 한다. 나선의 피치 각은, 유량과 유속에 의한, 수차구동축(10)의 최적의 회전속도를 유지할 수 있는, 날개(20)의 부착각도로 피치 각을 결정한다.
수차구동축(10)의 내주 면에 부착된, 하나 이상의 날개(20)는 지형, 유량, 유속 조건에 준하여, 유속의 충격력을 충분히 받을 수 있는 형상으로 스크루 또는 나선형, 원형, 사각 형태로 제작될 수 있다.
발전기(30)는 수중이나 수면에 설치할 수 있는, 방수시설 또는 방수용기에 설치하며, 수중에 설치시에는, 부력을 유지할 수 있도록 한다.
부력 구(40)는 수차구동축(10)을, 수면에 수평으로 침수하여 설치시에 필요하며, 수차구동축(10)을 최적의 발전효율의 수심으로 유지하도록, 공기의 양을 조절할 수 있는 밀폐된 용기로 구성된다.
수차구동축(10)은 수로 길이에 준하여, 수차구동축(10)을 다 단으로 연결할 수 있으며 연결 부분에는, 부력 구(40)를 일정한 간격으로 부착한다
수차구동축(10)을 수직으로 침수시켜, 수직형 수력발전에 이용시에는 부력 구(40)를 제거할 수 있다.
수차구동축(10)을 수직으로 침수하여, 수직형 발전용 수차로 수력발전에 이용할 수 있으며, 수심과 분류의 면적에 맞추어, 다수의 다중나선을 구성하여, 수차구동축(10)이 제작될 수 있다.
날개(20)는 수차구동축(10)의 평면 원주면적에 맞추어, 각 날개(20)의 이격을 유지 할수있도록 제작하며, 수차구동축(10)의 다중나선 내주 면에 하나 이상의 날개(20)를 연속하여 부착된다.
날개(20)는 유수량과 유속에 적합한 최적의 형태로 제작되어야 한다.
날개 (20)는 상하좌우에서 흘러들어오는 유수의 유속 항력에 의해 날개(20)가 밀려나가면서 회전한다. 날개(20)의 항력으로, 수차구동축(10)이 회전하게 되며, 회전하는 수차구동축(10)의 회전력은 수차구동축(10)의 다중나선에 의하여 분산되어 전달되며, 수차구동축(10)의 연결구와 연결된 발전기(30)회전축을 회전시켜, 수력발전의 소기 목적에 이용된다.
본 발명의 수차구동축(10)의 날개(20)는 다중나선에 다수의 날개(20)가 수평, 수직선상에 일 직선으로 구성하고 있어서, 각각의 날개가 같은 위치에서 순차로 유속에 충돌한 후 회전되므로, 수차구동축(10)의 유속의 충격방향에 대응하는, 수평 또는 수직의 날개(20)면적의 전체에, 충격력이 가해지는 형상의 수차구동축(10)으로서, 기존 수차의 회전반경에 비해, 작은 회전반경을 가진 수차구동축(10)으로 경제적인 수력발전을 이룰 수 있음이 장점이다
부력 구(40)는 지형지물과 유수의 유속에 맞추어, 수차구동축(10)의 최적 수심을 유지하도록 부력을 조절하며, 하천이나 바다에서 운항 중인 선박 수심 이하로 수차구동축(10) 을 유지하도록 하여, 입출항이 빈번한 해안에서 선박의 안전항해를 최대한 보장한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예로서, 삼중나선으로 구성된 수차구동축(10)으로, 하나 이상의 날개(20)가 각 나선 내주 면에 연속 부착된 날개(20)의 평면도이며, 날개(20)는 스크루의 일 엽 형태로 제작하여 부착된 일 예로서, 수차구동축(10)의 각각의 나선 내주 면에 연속 부착된다.
도 3은 하천 강 바다의 급류지역은 대부분 산악 또는 해안과 섬 사이에서 위치하고 있어, 길거나 넓게 제작된, 수차 구동축(10)의 운반과 설치가 편리하도록 한 것으로, 하나의 날개(20)를 반원형태의 수차구동축(10) 내주 면에 한 개의 날개(20)를 부착하고, 수차구동축(10) 양 절단면을 연속 연결하여, 하나 이상의 다중나선이 원통 형상으로, 수차구동축(10)을 이룰 수 있도록 한, 하나의 날개(20) 이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예 수차구동축(10) 정면 확대사진으로, 삼중나선으로 구성된 수차 구동축(10)의 일 예로서, 하나의 나선 내주 면에 연속하여 부착된 날개(20), 하나의 나선을 삼중나선으로 구성한 수차구동축(10) 정면사진.
도 5는 본 발명의 일실시 사용 상태도로서, 수력 발전장치가 일정 수심에 수평식 수력 발전장치로 설치된 상태도.

도 1 본 발명의 사시도

도 2 본 발명의 수차구동축 내주 면에 부착된 날개 평면도

도 3 본 발명의 조립 가능한 수차구동축
도 4 본 발명의 일실시 예 수차구동축 사진
도 5 본 발명의 사용 상태도

Claims (5)

1. 하천, 바다의 유동하는 유체의 운동에너지를 이용하기 위한 수력 발전 장치의 수차로서, 나선의 피치 각 과 회전방향 및 종횡비가 동일한, 3조의 공간 나선 형상의 프레임을 원주 삼등분의 각각 위치에 고정된, 3조의 공간 나선이 원통 형상의 프레임으로 구성된 수차구동축;(10) 상기 3조의 공간 나선 프레임의 각 내주 면에 수직, 수평으로 대응각을 이루며, 날개(20)를 연속 부착하여, 각각의 날개가 순차적으로 유체의 운동에너지로 연속 회전하는 날개(20)의 동력으로, 수차구동축(10)을 회전시키도록 하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치의 수차.
2. 제 1 항에 있어서, 수차구동축(10)의 내주 면에 연속하여, 부착한 날개(20)의 형상은 나선형으로 제작, 부착된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치의 수차.
3. 제 1 항에 있어서, 수차구동축(10)의 내주 면에 연속하여, 부착한 날개(20)의 형상은, 원형으로 제작, 부착된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치의 수차.
4. 제 1항에 있어서,수차구동축(10)의 내주 면에 연속하여, 부착한 날개(20)의 형상은 사각형으로 제작 부착된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치의 수차.
5. 삭제

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