KR101189764B1 - 배관용 수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관용 수력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직관형 배관 사이에 플랜지접합 되는 플랜지관과, 플랜지관에 길이방향으로 플랜지관의 내부에 위치하되, 중심축이 적어도 하나 이상의 축 지지대에 의해 플랜지관의 내경에 고정되며, 일단에 제1베벨기어가 형성되고, 일정한 간격으로 설치된 복수의 블레이드를 구비한 스크류 터빈 및 플랜지관의 외부에 위치하되, 플랜지관의 외경에 설치된 보스(boss)를 관통한 피동축과, 피동축의 일단에 설치되어 제1베벨기어와 기어물림되는 제2베벨기어를 구비하며 피동축의 타단에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기를 포함하는 배관용 수력발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 배관 사이에 탈착이 용이하게 플랜지접합 됨으로써, 기 설치된 다양한 형태의 배관에 설치할 수 있어 기존 시설물을 해체하지 않으면서 저비용으로 설치가 용이하며, 단지 배관의 내부에 흐르는 유체의 유속을 이용하여 친환경으로 전기를 생산하는 효과가 있다.

Description

배관용 수력발전장치{Water-power Generation Device for Pipe}

본 발명은 수력발전장치에 관한 것으로서, 특히 배관에 플랜지 접합하며 배관 내부를 통해 회전하며 이동하는 유체의 유속을 이용하여 전기에너지를 수득할 수 있는 배관용 수력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기를 생산하기 위해서는 화력발전 및 원자력발전 등과 같이 주로 화석연료나 인체에 유해한 방사능물질을 발생시키는 원자력을 이용하여 전기를 생산하였다.

이러한 발전방식은 전기를 생산하는 과정에서 부득이하게 환경을 오염시키는 주범인 매연 및 방사선 폐기물 등과 같은 해로운 결과물이 발생할 수밖에 없었다.

또한, 화석연료의 경우 지구상에 매장된 매장량이 한정되어 있기 때문에 지속적으로 채굴하여 사용할 경우 지구상에서 고갈되어 무한정 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

아울러, 화석연료를 채굴하기 위해 필요한 채굴시설을 설치하기 위해서는 막대한 자금이 필요하고, 화석연료의 채굴시 부득이하게 환경이 오염되는 문제점이 발생한다.

이를 해결하기 위해 근래에는 자연적으로 발생하는 수력, 풍력, 조력 및 태양열 등과 같이 환경을 오염시키지 않으면서 자연상태에서 발생하는 무한대의 에너지원을 이용하여 전기를 생산하는 발전방식이 제시되고 있다.

그 중 수력발전방식의 경우 물이 흐르는 운동에너지를 유체기기의 회전동력으로 전환하여 전기를 발전하는데, 일반적으로 댐에 저장된 물이 갖는 위치 에너지를 이용하는데 주로 치중되었다.

이와 같은 수력발전의 경우 대형의 발전설비가 필요하여 초기에 막대한 설치비용이 소요되며, 가뭄이 잦고 강수량이 일정하지 않으면 전력생산 효율이 떨어지는 단점이 있다.

이에 최근에는 수돗물을 비롯하여 연료공급관 또는 오수배수관 등의 각종 배관계통 내부에 다양하게 흐르고 있는 유체의 운동에너지를 그대로 낭비해 버리지 않고, 이를 이용하여 전기를 생산하는 전력생산방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이며, 몇몇 중소형의 발전장치들이 개시되고 있다.

예를 들면, 대한민국 공개특허공보 제1984-0003739호(1984년 09월 15일 공개)에는 수력 발전 장치가 개시되어 있고, 대한민국 등록실용신안공보 제20-0424629호(2006년 08월 17일 등록)에는 배수지의 낙차를 이용한 수력 발전장치가 개시되어 있다.

상기의 발명들은 고지대에 위치한 배수지 또는 저수지에 저류된 물을 배관을 통해 자유낙하 하되, 상기 배관 내부에 수차(水車)를 설치하여 낙하하는 물의 위치에너지를 이용하여 상기 수차를 작동시킴으로써 전기를 생산하는 발명이다.

상기의 발명들은 배관을 통해 흐르는 물의 위치에너지를 이용하여 발전하는 친환경적이면서 비교적 단순한 설계만으로도 전기를 생산하는 장점이 있다.

그러나, 기존의 댐에 설치된 수력발전방식과 다를 바가 없고, 고지대에 위치한 물을 배관을 통해 저지대로 흐르게 하기 위해서 복수의 배관을 매우 길게 설치해야하기 때문에 초기 설치비용이 많이 소요되는 문제점이 있다. 이때, 설치비용을 절감하기 위해 배관을 짧게 하여 설치하게 되면, 충분한 낙하 위치에너지를 얻을 수 없기 때문에 전기 생산 효율이 떨어지게 된다.

아울러 상기 수차의 경우 그 형태가 매우 단순한 원시적인 구조로 이루어졌기 때문에 전력 생산의 효율이 떨어지고, 물의 흐름을 방해하여 유속이 저하되어 배관 내부에서 물이 원활히 진행할 수 없게 하는 문제점이 있다.

그리고, 대한민국 공개특허공보 제1995-0008966호(1995년 04월 21일 공개)에는 관로수차 동력발생기가 개시되어 있다.

상기의 발명은 일정한 수차나 유압이 발생하는 수관 내부에 수차를 설치하여 물의 흐름 동작에 기인한 회전력으로 전기를 생산하는 발명이다.

상기의 발명은 수관을 통해 흐르는 물의 흐름을 이용하여 발전하는 친환경적이면서 비교적 단순한 설계만으로도 전기를 생산하는 장점이 있다.

그러나, 수차는 그 형태가 매우 단순한 원시적인 구조로 이루어졌기 때문에 전력 생산의 효율이 떨어지고, 물의 흐름을 방해하여 유속이 저하되어 배관 내부에서 물이 원활히 진행할 수 없게 하는 문제점이 있다.

마지막으로, 대한민국 공개특허공보 제2003-0091629호(2003년 12월 03일 공개)에는 관 내부를 흐르는 유체를 이용한 발전장치가 개시되어 있다.

상기의 발명은 양측에 플랜지가 형성된 원형에 관체 내부에 날개 또는 프로펠러를 설치하여 상기 관체 내부에 흐르는 유체의 힘을 이용하여 전기를 발생시키는 발명이다.

상기 발명은 관체에 플랜지 형태로 접합하여 배관을 통해 흐르는 물의 흐름을 이용하여 발전하되, 날개의 지름을 작게 하여 물의 흐름을 방해하지 않으면서 생산된 전기를 외부로 공급할 수 있는 친환경적으로 전기를 생산하는 장점이 있다.

그러나, 상기 발명은 유체의 흐름에 의해 회전하는 상기 날개의 경우, 그 구조가 매우 단순한 원시적인 형태로 이루어져 있기 때문에 전력 생산의 효율성이 떨어지고, 더욱이 물의 흐름을 방해하지 않기 위해 상기 날개의 지름을 작게 함으로써 전력 생산의 효율이 더욱 저하되는 단점이 있다.

그리고, 유체의 흐름에 의해 회전하는 프로펠러의 경우, 단순 일반적인 프로펠러 형태로 설치되기 때문에 다양한 지름을 가진 관체, 유량 및 유속의 변화에 있어서 충분히 전기를 생산할 수 없는 단점이 있다.

즉, 유체가 이동하면서 발생하는 이동에너지를 운동에너지로 변환시키는데에 있어서, 이동에너지를 운동에너지로의 변환을 극대화시키지 못하고 대부분 흘려보내기 때문에 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 과제는, 기존에 설치된 배관 사이에 탈착 가능하게 플랜지접합 하여 배관의 내부에서 흐르는 유체의 유속을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있는 배관용 수력발전장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 부수적인 과제는, 배관 내부에 흐르는 유체의 유속저하를 최소화하면서 유체의 회전으로 인해 스크류 터빈이 고속으로 회전함으로써 발전량을 극대화할 수 있는 배관용 수력발전장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 과제는, 발전기로부터 발생한 전기에너지를 저장하여 송전케이블을 통해 전기를 외부에 공급할 수 있는 배관용 수력발전장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 직관형 배관 사이에 플랜지접합 되는 플랜지관, 상기 플랜지관에 길이방향으로 상기 플랜지관의 내부에 위치하되, 중심축이 적어도 하나 이상의 축 지지대에 의해 상기 플랜지관의 내경에 고정되며, 일단에 제1베벨기어가 형성되고, 일정한 간격으로 설치된 복수의 블레이드를 구비한 스크류 터빈 및 상기 플랜지관의 외부에 위치하되, 상기 플랜지관의 외경에 설치된 보스(boss)를 관통한 피동축과, 상기 피동축의 일단에 설치되어 상기 제1베벨기어와 기어물림되는 제2베벨기어를 구비하며 상기 피동축의 타단에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기를 포함한다.

상기 스크류 터빈은 상기 중심축의 타단이 원뿔형상으로 이루어진 원뿔 스크류(Conical screw)인 것을 특징으로 한다.

상기 제1베벨기어 및 상기 제2베벨기어는 곡선베벨기어(Spiral bevel gear)인 것을 특징으로 한다.

상기 축 지지대는 적어도 하나 이상의 통공이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드는 상기 중심축을 향하여 점차 곡률반경이 작아지는 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 발전기로부터 발생한 전기에너지가 충전되는 충전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 배관 사이에 탈착이 용이하게 플랜지접합 됨으로써, 기 설치된 다양한 형태의 배관에 설치할 수 있어 기존 시설물을 해체하지 않으면서 저비용으로 설치가 용이하며, 단지 배관의 내부에 흐르는 유체의 유속을 이용하여 친환경으로 전기를 생산하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 배관 내부에 흐르는 유체의 유속저하를 최소화하여 유체의 흐름을 방해하지 않고, 유체가 회전하며 흐르기 때문에 유체의 회전으로 인한 스크류 터빈이 고속으로 회전되어 전기에너지의 생산이 증가하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 발전기로부터 발생한 전기에너지를 저장한 후, 이를 단거리 또는 장거리로 송전하여 외부에 전기를 공급 및 판매함으로써 이로 인한 판매수입이 발생하는 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배관용 수력발전장치를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배관용 수력발전장치에서 블레이드의 다른 형태를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배관용 수력발전장치를 이용한 수력발전 시스템을 개략적으로 도시한 개념도 이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배관용 수력발전장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배관용 수력발전장치를 나타낸 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배관용 수력발전장치는 플랜지관(100), 스크류 터빈(200) 및 발전기(300)를 포함하는 구성요소로 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 플랜지관(100)은 배관(P)에 플랜지접합 되어 설치된다. 즉, 송유관, 상하수도관 및 배수지에 연결된 직관형태의 배관(P)에 플랜지접합 되는데, 바람직하게는 물이 흐르는 배관(P)을 소정의 길이만큼 절단하고, 절단된 부위에 상기 플랜지관(100)을 삽입하여 플랜지접합 한다.

이때, 수평상태로 설치된 배관(P)에 상기 플랜지관(100)이 플랜지접합 될 수도 있고, 수직으로 설치된 배관(P)에 플랜지관(100)이 플랜지접합 될 수도 있는데, 바람직하게는 수직상태로 상기 배관(P)에 상기 플랜지관(100)이 플랜지접합 되는 것이 유체의 위치에너지를 이용할 수 있기 때문에 발전 효율이 더 크다 할 수 있다.

상기 스크류 터빈(200)은 중심축(210), 제1베벨기어(220) 및 블레이드(230)를 포함한다. 상기 스크류 터빈(200)은 상기 플랜지관(100) 내부로 유체 통과할 때, 유체를 회전시키면서 통과시킬 수 있다.

즉, 예를 들어 수직상태로 설치된 배관(P)에 상기 스크류 터빈(200)이 내장된 플랜지관(100)이 플랜지접합 되면, 유체의 자유낙하로 인한 위치에너지와 상기 스크류 터빈(200)으로 인해 유체의 와류로 인한 회전에너지가 동시에 발생하기 때문에 빠른 유속으로 상기 스크류 터빈(200)을 유체가 회전하며 통과하게 된다.

또한, 상기 스크류 터빈(200)의 구조상 유체를 상기 스크류 터빈(200)에 좀 더 오랫동안 머무르게 할 수 있어서 기존의 유체를 단순히 흘리면서 발전하는 방식에 비해 유체가 이동하면서 발생하는 이동에너지를 최대한 사용할 수 있다.

이때, 상기 스크류 터빈(200)에 유체가 오랫동안 머무르더라도 유체가 고속으로 회전하며 이동하기 때문에 유체의 흐름을 방해하지 않는다.

상기 중심축(210)은 상기 플랜지관(100)의 내부 중앙부위에 위치하는데, 상기 플랜지관(100)에 길이방향으로 설치된다. 여기서 상기 중심축(210)은 적어도 하나 이상의 축 지지대(400)에 의해 상기 플랜지관(100)의 내경에 고정된다.

상기 축 지지대(400)는 상기 스크류 터빈(200)을 지지하기 위해 일자(一字)형태 또는 십자(十字)형태로 이루어질 수 있으며, 상기 플랜지관(100)의 내경면에 고정설치된다. 이때, 상기 축 지지대(400) 중앙부분에 원형의 관통부를 상기 스크류 터빈(200)의 중심축(210)이 관통되어 설치된다.

상기 제1베벨기어(220)는 상기 중심축(210)의 일단에 형성된다. 즉, 상기 플랜지관(100)을 통해 흐르는 유체의 방향으로 상기 제1베벨기어(220)가 상기 중심축(210)에 형성된다.

상기 블레이드(230)는 상기 스크류 터빈(200)에 일정한 간격으로 복수 설치되는데, 유체가 흐르는 방향과 대응하는 방향을 향해 설치되는 것이 바람직하다.

이는 유체가 상기 스크류 터빈(200)을 따라 회전하며 흐를 때, 상기 블레이드(230)의 일면을 상기 유체가 가압함으로써, 상기 스크류 터빈(200)이 회전된다.

한편, 상기 스크류 터빈(200)은 상기 중심축(210)의 타단이 원뿔형상으로 이루어진 원뿔 스크류(Conical screw)이다. 즉, 유체가 이동하는 방향의 반대방향을 향해 원뿔형상이 형성되어 있어 유체의 흐름이 방해되는 것을 방지하기 위함이다.

그리고, 상기 축 지지대(400)는 적어도 하나 이상의 통공(410)이 형성된다. 이는 상기 축 지지대(400)와 같은 구조물로 인해 유체가 흐름이 방해되는 것을 방지하기 위함인데, 유체의 흐름을 원활하게 하기 위해 유체가 관통하며 흐를 수 있게 통공(410)을 형성시켜 축 지지대(400)의 설치로 인해 방해받을 수 있는 유체의 흐름을 원활하게 한다.

상기 발전기(300)는 피동축(310) 및 제2베벨기어(320)를 포함한다. 먼저, 상기 발전기(300)는 상기 플랜지관(100)의 외부에 위치한다.

그리고, 상기 피동축(310)은 상기 중심축(210) 방향으로 향해 상기 플랜지관(100)을 관통하여 설치되는데, 상기 피동축(310)의 일단은 상기 제1베벨기어(220)와 기어물림 하는 제2베벨기어(320)가 형성되고, 타단은 상기 발전기(300)에 연결된다.

이때, 상기 피동축(310)이 상기 플랜지관(100)의 외경면을 관통하기 위해서는 상기 플랜지관(100)의 외경면에 소정의 홀이 형성될 수밖에 없는데, 이 경우 홀의 마감이 완벽하지 못하면 홀을 통해 유체가 외부로 유출될 수 있다.

이를 방지하기 위해 상기 피동축(310)이 관통되는 플랜지관(100) 외경 부위에 보스(100)(boss)를 설치한다. 즉, 상기 피동축(310)이 상기 보스(100)를 관통함으로써 상기 플랜지관(100) 내부로 삽입되고, 상기 제1베벨기어(220)와 상기 제2베벨기어(320)가 기어물림 된다.

여기서 보스(100)는 핸들이나 각종 바퀴 따위의 축을 끼우는 구멍의 가장자리를 보강하기 위하여 고정하는 두꺼운 부분을 일컫는다.

이때, 상기 제1베벨기어(220) 및 상기 제2베벨기어(320)는 곡선베벨기어(Spiral bevel gear)인 것이 바람직하다.

상기 곡선베벨기어(Spiral bevel gear)는 톱니 줄기가 나선 모양으로 된 베벨기어로써 비틀림각은 약 20 내지 40도의 범위이며, 바람직하게는 약 35도가 가장 적당하다. 직선베벨기어에 비하여 한번에 접촉하는 물림 길이가 커서 부드럽게 움직이는 장점이 있고, 특히 진동과 소음이 적어 고속에서 사용할 수 있으며 하중을 전달하는 능력이 직선베벨기어보다 훨씬 큰 장점이 있다.

즉, 상기 배관(P)을 통해 흐르는 유체가 상기 플랜지관(100)을 통과하게 되면 상기 스크류 터빈(200)에 의해 유체가 회전함으로써 유체가 고속으로 회전하게 되고, 회전하며 흐르는 유체가 상기 블레이드(230)의 일면을 가압함으로써, 상기 축 지지대(400)에 의해 지지된 상기 스크류 터빈(200)이 회전하게 된다.

그리고, 회전하는 스크류 터빈(200)의 일단에 형성된 제1베벨기어(220)와 상기 제1베벨기어(220)에 기어물림 된 상기 제2베벨기어(320)가 상기 피동축(310)을 회전시켜 상기 피동축(310)의 타단에 연결된 상기 발전기(300)에서 전기가 생산되는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배관용 수력발전장치에서 블레이드(230)의 다른 형태를 나타낸 사시도이다.

도 3을 참조하면, 상기 블레이드(230)는 상기 중심축(210)을 향하여 점차 곡률반경이 작아지는 형태로 형성될 수 있다.

즉, 유체가 상기 스크류 터빈(200)을 지나면서 상기 스크류 터빈(200)에 의해 회전하게 되는데, 고속으로 회전하기 때문에 강한 회전력이 발생한다.

이때, 유체가 고속으로 회전하게 되면 원심력에 의해 상기 플랜지관(100)의 내경면 방향으로 강한 압력이 발생하는데, 상기 블레이드(230)의 형태를 상기 중심축(210)을 향하여 점차 곡률반경이 작아지는 형태로 형성시킴으로써, 유체의 고속의 회전에 의한 강한 회전력과 상기 플랜지관(100)의 내경면으로 향해 집중된 압력을 동시에 이용하기 위해 상기 블레이드(230)의 가압면을 상기 플랜지관(100)의 외경면을 향해서는 크게, 중심축(210)을 향해서는 점차 작게 하여, 유체의 이동 흐름을 방해하지 않으면서 동시에 유체가 더욱 강한 가압으로 향기 블레이드(230)를 가압할 수 있게 하는 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배관용 수력발전장치를 이용한 수력발전 시스템을 개략적으로 도시한 개념도 이다.

도 4를 참조하면, 상기 발전기(300)로부터 발생한 전기에너지가 충전되는 충전기(500)를 더 포함할 수 있다.

이는 상기 발전기(300)에서 발전된 전기 에너지를 저장한 후, 상기 충전기(500)에 연결된 송전 케이블(C)을 통해 단거리 또는 장거리로 송전한다. 여기서 필요에 의해 변압기(T)가 더 설치될 수 있는데, 이와 같이 발전된 전기를 송전하여 외부에 전기를 공급 및 판매함으로써 판매수입을 수득할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

100: 플랜지관 110: 보스
200: 스크류 터빈 210: 중심축
220: 제1베벨기어 230: 블레이드
300: 발전기 310: 피동축
320: 제2베벨기어 400: 축 지지대
410: 통공 500: 충전기
P: 배관 C: 송전 케이블
T: 변압기

Claims (6)

1. 직관형 배관 사이에 플랜지접합 되는 플랜지관; 상기 플랜지관에 길이방향으로 상기 플랜지관의 내부에 위치하되, 중심축이 적어도 하나 이상의 축 지지대에 의해 상기 플랜지관의 내경에 고정되며, 일단에 제1베벨기어가 형성되 스크류 터빈; 및 상기 플랜지관의 외부에 위치하되, 상기 플랜지관의 외경에 설치된 보스(boss)를 관통한 피동축과, 상기 피동축의 일단에 설치되어 상기 제1베벨기어와 기어물림되는 제2베벨기어를 구비하며 상기 피동축의 타단에 연결되어 전기에너지를 발생시키는 발전기;를 포함하는 배관용 수력발전장치에 있어서,
   상기 스크류 터빈은, 유체가 흐르는 방향과 대응하는 방향으로 일정한 간격으로 설치된 복수의 블레이드를 구비하는 것;을 특징으로 하는 배관용 수력발전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스크류 터빈은,
   상기 중심축의 타단이 원뿔형상으로 이루어진 원뿔 스크류(Conical screw)인 것을 특징으로 하는 배관용 수력발전장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1베벨기어 및 상기 제2베벨기어는 곡선베벨기어(Spiral bevel gear)인 것을 특징으로 하는 배관용 수력발전장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 축 지지대는 적어도 하나 이상의 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 배관용 수력발전장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드는 상기 중심축을 향하여 점차 곡률반경이 작아지는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 배관용 수력발전장치.
6. 삭제

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