KR101228298B1 - 수력발전용 회전체 및 그것이 설치된 수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 수력에 의한 회전효율을 높임과 함께, 운동하는 회전체가 수면밖으로 노출되는 부분 및 그 노출되는 높이를 감소시킨 구조의 발전용 회전체 및 그것이 설치된 수력발전장치를 제공하는 것이다. 본 발명은, 수직선에 대하여 일측 방향으로 소정의 예각만큼 경사진 회전축과, 상기 회전축에 직각인 방향에 대하여 상측 방향으로 경사진 상태에서 상기 회전축에 대하여 방사방향으로 연장되는 다수의 날개지지대와, 상기 다수의 날개지지대의 각각에 결합되어 수력을 받아 상기 회전축을 회전시키는 날개와, 하측에서 베어링을 매개로 상기 회전축을 지지하는 회전축지지체를 포함하는 수력발전용 회전체를 제공한다.

Description

수력발전용 회전체 및 그것이 설치된 수력발전장치{Rotation apparatus for hydraulic power generation and Hydraulic power generation apparatus equipped therewith}

본 발명은 수력발전용 회전체 및 그것이 설치된 수력발전장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물의 흐름이 발생하는 수로, 하천 등에 설치하기에 적합한 구조의 수력발전용 회전체 및 그것이 설치된 수력발전장치에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈에 따라 새로운 에너지원을 찾고자 하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

특히, 하천이나 수로 등 수력에너지가 크지 않은 장소에도 발전시설을 설치함으로써 전기를 생산하고자 하는 다양한 시도가 있었다. 일예로, 국내 화력발전소 중 한곳에서는 연중 일정한 유량이 확보될 수 있는 발전소의 방류수로에 발전장치를 설치하여 전기 생산을 시도한 바 있다. 이는, 발전소의 방류수로에 소규모의 댐을 건설하여 방류수의 위치에너지를 이용해 터빈을 구동시키는 방식으로, 일반적인 댐발전방식을 응용하여 소규모의 수력발전설비를 설치한 것이다.

그러나, 하천이나 수로 등 소규모의 수력발전이 이루어지는 장소에는 그 생산되는 전력량을 고려할 때 높은 건설비용과 유지보수의 어려움이 있는 댐건설 방식보다는 설치비용을 줄일 수 있고 그 설치가 보다 간단하게 이루어지는 발전설비가 효과적이다.

한편, 하천이나 수로 등에 소규모의 발전설비가 설치될 경우, 발전효율을 높임으로써 생산성이 높은 발전이 이루어질 필요가 있다. 이는 소규모의 발전설비라 하더라도 설치 및 유지보수를 위한 비용과 인력이 적지 않게 소요되므로 효율적인 발전을 통해 일정수준 이상의 발전이익이 발생하여야 하기 때문이다. 이에 따라, 발전효율이 매우 높은 구조의 발전장치가 구비되고, 설치장소에서 가장 효율적인 발전이 이루어지도록 설치조건을 설계할 필요가 있다.

도 1은 하천이나 수로의 깊이에 따른 유속을 도시하는 것으로, 통상 수면으로부터 소정 깊이 아래에서 유속이 가장 빠르고 그 위치에서 가장 큰 수력에너지를 얻을 수 있다. 따라서, 그 깊이에서 발전이 이루어진다면 작은 용량의 발전설비로도 높은 효율의 발전이 이루어질 수 있음을 알 수 있다.

다른 한편으로, 하천이나 수로에서 발전설비의 설치 시, 안전이나 경관을 크게 저해하지 않도록 설치할 필요가 있다. 이를 위하여 수력발전을 위해 운동하는 회전체의 운동이 가능한 한 수중에서 이루어지도록 하고, 외부에 노출되는 부분을 감소시키며, 일부분이 노출되더라도 수면으로부터 노출되는 높이가 최소화되어야 한다.

또 다른 한편으로, 수력발전장치의 발전기는 수중에 침수되지 않을 필요가 있다. 발전기가 수중에 침수되는 경우, 부식이나 누전 등의 문제를 해결하기 위하여 수밀구조를 채용하여야 하나, 그러한 구조는 설치비용을 증가시키고 유지보수를 위해 보다 큰 노력을 요하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 여러 요건을 고려하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수력에 의한 회전효율을 높임과 함께, 운동하는 회전체가 수면밖으로 노출되는 부분 및 그 노출되는 높이를 감소시킨 구조의 발전용 회전체와 그것이 설치된 수력발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수밀구조가 필요치 않도록 발전기가 수중에 침수되지 않는 구조의 수력발전용 회전체 및 수력발전장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수직선에 대하여 일측 방향으로 소정의 예각만큼 경사진 회전축과, 상기 회전축에 직각인 방향에 대하여 상측 방향으로 경사진 상태에서 상기 회전축에 대하여 방사방향으로 연장되는 다수의 날개지지대와, 상기 다수의 날개지지대의 각각에 결합되어 수력을 받아 상기 회전축을 회전시키는 날개와, 하측에서 베어링을 매개로 상기 회전축을 지지하는 회전축지지체를 포함하는 수력발전용 회전체를 제공한다.

상기 예각은 5°~ 30°의 범위에 포함되는 각도인 것이 바람직하다.

또한, 상기 날개지지대가 상측 방향으로 경사지는 각도와, 상기 예각은 동일한 각도인 것이 바람직하다.

다른 관점에서 본 발명은 수중에 침강되어 수중의 바닥에 접촉하고, 상방으로 연장된 다수의 지지기둥이 설치된 중량블록; 상기 지지기둥에 분리가능하도록 끼움결합되어 상기 중량블록의 상측에 설치되는 회전체프레임; 및 상기 회전체프레임에 설치되고 상기 바닥에 평행하게 작용하는 수력에 의해 발전하는 수력발전용 회전체를 포함하되, 상기 수력발전용 회전체는, 수직선에 대하여 일측 방향으로 소정의 예각만큼 경사진 회전축과, 상기 회전축에 직각인 방향에 대하여 상측 방향으로 경사진 상태에서 상기 회전축에 대하여 방사방향으로 연장되는 다수의 날개지지대와, 상기 다수의 날개지지대의 각각에 결합되어 수력을 받아 상기 회전축을 회전시키는 날개와, 하측에서 베어링을 매개로 상기 회전축을 지지하는 회전축지지체를 포함하는 수력발전장치를 제공한다.

상기 예각은 5°~ 30°의 범위에 포함되는 각도인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 수력발전용 회전체 및 그것을 구비한 수력발전장치는 하천이나 수로 등에 소규모로 설치될 수 있는 구조로서, 수력을 효과적으로 이용할 수 있는 구조를 구비하고 있다.

즉, 수면으로부터 소정깊이 아래에 날개가 위치하여 수력에너지가 최대가 되는 위치에서 날개가 수력을 받아 회전력을 발생시키고, 날개가 회전축의 주위를 선회하여 수력이 회전을 방해하는 영역에서는 수면 밖으로 노출됨으로써 수력에 의한 저항을 회피하도록 구성된다. 이에 따라, 작은 용량의 수력발전이더라도 매우 효율적인 발전이 이루어질 수 있다.

또한, 날개가 수면밖으로 노출되더라도 수력이 회전축의 회전력을 방해하는 영역에서만 노출되도록 구성하고, 그 노출되는 높이가 최소화됨으로써 수면 밖에서 발생할 수 있는 안전상의 위험을 크게 감소시키고, 노출되는 높이가 낮아 주변경관을 크게 저해하지 않는 효과가 있다.

또한, 회전축의 상부에 발전기가 구비될 수 있으므로 발전기가 수중에 침수되지 않아 수밀구조를 구비할 필요가 없고, 침수로 인한 부식이나 누전의 문제가 해소될 수 있다.

도 1은 하천이나 수로에서 수심에 따른 유속의 분포를 도시하는 설명도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체의 개략적인 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체를 수력이 작용하는 방향에서 본 정면도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체가 회전체프레임 및 중량블록에 의해 수로에 고정되기 위한 수력발전체의 사시도
도 5는 도 4에 도시된 수력발전체가 수로에 설치된 상태의 정면도
도 6은 도 4에 도시된 수력발전체가 수로에 설치된 상태의 측면도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체의 작용설명도

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체(10)의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체(10)를 수력이 작용하는 방향에서 본 정면도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체(10)는, 수직선에 대하여 일측 방향으로 소정의 예각만큼 경사진 회전축(20)과, 상기 회전축(20)에 직각인 방향에 대하여 상측 방향으로 경사진 상태에서 상기 회전축(20)에 대하여 방사방향으로 연장되는 다수의 날개지지대(31)와, 상기 다수의 날개지지대(31)의 각각에 결합되어 수력을 받아 상기 회전축(20)을 회전시키는 날개(30)와, 하측에서 베어링을 매개로 상기 회전축(20)을 지지하는 회전축지지체(24)를 포함한다.

상기 회전축(20)은 수직선에 대하여 일측으로 경사져 있으며, 소정의 예각(α)으로 경사진다. 상기 예각(α)은 5°~ 30°의 범위에서 설정되는 것이 바람직하다.

상기 회전축(20)의 하부는 회전축지지체(24)가 베어링을 매개로 지지하고 있다. 상기 베어링은 상기 회전축(20)의 하부가 회전축지지체(24)에 대하여 자유롭게 회전할 수 있도록, 회전축(20)의 길이방향의 하중을 받는 트러스트 베어링과 회전축(20)에 직각인 방향의 하중을 받는 래디얼 베어링이 설치된다. 상기 회전축지지체(24)는 수중의 바닥에 지지되거나, 수중의 바닥으로부터 소정높이에 설치된 지지대에 설치된다.

상기 회전축(20)의 상부에는 증속기(43) 및 발전기(40)가 설치된다. 회전축(20)이 회전함에 따라 회전축(20)의 회전력이 증속기(43)에 전달되어 회전속도를 높이고 증속된 회전은 발전기(40)에 전달되어 전력을 생산한다. 증속기(43) 및 발전기(40)는 수면의 상측에 설치됨으로써 수밀을 고려할 필요가 없고, 부식이나 누전의 위험도 제거될 수 있다.

상기 회전축(20)의 상부에 설치되는 증속기(43) 및 발전기(40)는 발전기지지체(45)에 의해 별도의 구조물에 지지되도록 한다.

한편, 상기 날개지지대(31)는 회전축(20)에 설치된 허브(22)로부터 방사방향으로 다수개가 연장되어 설치된다.

상기 날개지지대(31)는 방사방향으로 연장되되, 상측 방향으로 경사진 상태로 설치된다. 그 경사지는 각도는 회전축(20)이 수직선에 대하여 경사진 각도와 동일한 예각(α)으로 상측 방향으로 경사지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 날개지지대(31)가 수중에서 수면에 대하여 수평으로 뻗어 있는 상태가 된다.

상기 날개지지대(31)의 단부, 즉 끝단에는 수력을 받는 날개(30)가 설치된다. 상기 날개(30)는 수력에 대한 항력이 크도록 오목한 용기의 형상으로 구성한다.

도 3을 참고하면, 상기와 같은 구성의 수력발전용 회전체(10)는 날개지지대(31)가 설치되는 회전축(20)의 허브(22)가 수면으로부터 소정 깊이에 위치하도록 수심을 고려하여 전체 길이가 설정되어야 한다. 또한, 회전축(20)은 수직선에 대하여 소정의 예각(α)으로 기울어져 있고, 날개지지대(31)는 소정의 깊이에서 수면과 평행하게 연장됨으로써 날개(30)가 수면 아래의 소정 깊이에 위치한 상태에서 수력을 받아 회전축(20)에 회전력을 발생시킨다.

상기 날개(30)는 수력을 받아 회전축(20) 주위를 선회함과 함께, 회전축(20) 및 날개지지대(31)의 경사진 예각으로 인하여, 수력이 회전에 저항하는 영역에서는 수면밖으로 노출된다. 날개(30)가 수면밖으로 노출됨으로써 수력에 의한 항력이 발생하지 않아 회전축(20)의 회전에 저항으로 작용하지 않는다.

한편, 수면 밖으로 노출되는 날개(30)는 수면으로부터 떨어진 상태로 노출되면서도 수면으로부터의 높이가 최소화되도록 한다. 이는 운동하는 날개(30)가 수면 위에 노출됨으로써 발생하는 위험이 최소화되도록 수력이 회전에 저항하는 최소한의 영역에서만 날개(30)가 노출되게 하고, 나머지 위치 및 구성은 가능한 한 수면 아래에 위치하도록 한다. 또한, 상기 회전축(20)의 허브(22)가 위치하는 소정 깊이는 도 1에서 도시한 유속이 가장 큰 깊이가 되도록 한다. 상기와 같은 높이 및 깊이는 설치장소의 수심을 고려하여 날개지지대(31) 및 회전축지지체(24)의 설계 길이를 조절하여 설정할 수 있다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체(10)가 하천이나 수로에 설치되기 위한 보다 구체적인 구성을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수력발전용 회전체(10)가 회전체프레임(60) 및 중량블록(50)에 의해 수로에 고정되기 위한 수력발전장치의 사시도이고, 도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 수력발전장치가 수로에 설치된 상태의 정면도 및 측면도이다.

도 4 내지 도 6을 참고하면, 상기 회전축(20)은 수직방향을 기준으로 수로(2)의 일측방향으로 소정의 경사각(α)으로 기울어진 상태로 회전체프레임(60)에 설치되어 있다. 또한, 상기 회전축(20)이 기어울진 상태에서 회전축(20)을 중심으로 연장되는 날개지지대(31) 및 날개(30)가 설치된다.

상기 회전축(20)으로부터 연장되는 날개(30)의 날개지지대(31)는 상기 회전축(20)에 직각을 이루는 면을 기준으로 상측으로 소정의 상기 경사각(α)으로 기울어져 있다. 따라서, 전체적으로 회전축(20)이 일측 방향으로 경사진 상태에서 날개지지대(31)가 회전축(20)에 직각방향으로 연장되지 않고 그 직각방향에서 상기 각도(α)로 상측으로 기울어져 설치된다.

상기 회전축지지체(24)는 회전체프레임(60)의 하부받침판(64)에 의해 지지되고 있고, 발전기(40) 및 증속기(43)는 회전체프레임(60)의 상부받침판(63)에서 경사진 발전기지지체(45)에 의해 그 위치가 고정되고 있다. 이에 따라, 회전체프레임(60)이 수로(2)에 설치되면 발전기(40)가 수면 상측에 위치하여 침수에 따른 부식이나 누전 등의 문제를 제거한다.

회전체프레임(60)의 각 모서리에는 후술하는 중량블록(50)의 지지기둥(52)에 끼워지는 결합봉(62)이 설치된다.

한편, 상기 회전체프레임(60)은 중량블록(50)에 의해 수중에 고정설치된다. 상기 중량블록(50)은 수중에 침강되어 수중의 바닥(5)에 접촉하는 평평한 하면이 형성되고 상방으로 연장되어 있는 다수의 지지기둥(52)을 포함한다.

상기 중량블록(50)은 물속의 바닥(5)에 가라앉아 그 무게에 의해 수로의 바닥(5)과 마찰이 발생하여 위치가 고정되고 있다. 따라서, 상기 중량블록(50)은 비중이 물보다 큰 강재 블록이나 콘크리트 블록으로 형성된다. 강재의 경우는 수중에서 부식이 방지될 수 있도록 피막처리하는 것이 바람직하다. 상기 중량블록(50)의 하면에는 스파이크(spike)가 형성되어 수로(2)의 바닥(5)에 더욱 견고히 지지되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 지지기둥(52)의 상단부에는 회전체프레임(60)의 결합봉(62)이 끼워질 수 있는 결합구멍이 형성되어 있다.

지지기둥(52)의 높이는 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같이, 지지기둥(52)의 상단이 수면보다 높도록 구성하여 설치 작업시 회전체프레임(60)의 결합봉(62)이 끼워질 때 크레인의 작업자가 수면으로부터 노출되어 있는 지지기둥(52)의 결합구멍을 확인할 수 있도록 한다. 만일, 지지기둥(52)의 끝단이 수면 아래에 있을 경우, 물의 유동에 의해 회전체프레임(60)이 설치될 위치를 가늠하기가 매우 어려울 것이다.

중량블록(50)의 지지기둥(52)과 회전체프레임(60)의 결합봉(62)이 끼워져 끼움결합된 상태에서는 별도의 고정장치가 불필요하고 수리 및 점검을 위해 크레인에 의한 회전체프레임(60)의 철거가 언제라도 가능한 상태이다.

다음은 본 실시예에 따른 수력발전용 회전체(10)의 작용을 보다 상세히 설명한다.

도 7을 참고하면, 수력발전용 회전체(10)의 날개(30)가 “A”의 위치에 있을 때, 수력이 작용하여 회전축(20)에 회전력을 발생시킨다. 상기 “A”위치는 도 5에도 표시되어 있는 바와 같이, 날개(30)가 수면 아래에서 유속이 가장 큰 수심영역에 위치하고 있다.

한편, “A”위치의 날개(30)는 회전축(20)에 회전력을 발생시킨 이후 회전축(20) 주위를 선회하여 “B”위치로 이동한다. “B”위치는 도 6에서 표시되어 있는 바와 같이 날개(30)가 수면에서 노출되는 초기단계의 위치이다.

날개(30)가 회전축(20) 주위를 더 선회하여 “C”위치에 이르면, 수면으로부터 완전히 노출된다. 상기 “C”위치에서는 수력이 회전축(20)의 회전에 저항하는 방향으로 날개(30)에 작용함으로써 수면 아래에 있을 경우 회전효율을 떨어뜨리게 된다. 따라서, “C”위치에서 수면 위로 완전히 노출시켜 회전축(20)의 회전효율을 향상시키고 있다. 도 5에 날개(30)가 수면으로부터 이탈된 “C”위치가 표시되어 있다.

상기 날개(30)는 “C”위치에서 “D”위치로 이동함에 따라 점점 수면 아래로 하강하면서 “D”위치에서 날개(30)의 일부분만 노출된 상태가 되고 “D”위치에서 “A”위치로 이동하는 과정에서 수면 아래에 완전히 침몰하게 된다. 이에 따라, 회전축(20)에 회전력을 가장 크게 발생시키는 위치인 “A”위치에서는 유속이 가장 큰 영역에 날개(30)가 위치할 수 있다.

상기와 같은 작용은 날개(30)가 큰 수력에너지가 발생하는 깊이의 수력을 이용할 수 있도록 수면과 가까운 수심에서 회전됨과 함께, 수면 밖으로 빠져나온 영역에서는 수면에 근접하여 회전할 수 있으므로 수면 위에서 노출되는 부분의 높이는 최소화될 수 있다.

이에 따라, 수면과 가까운 최대 수력에너지를 발전에 이용함과 함께 최소한의 영역에서만 날개가 수면으로부터 노출됨으로써 회전하는 날개(30)가 노출됨에 따른 위험을 감소시킬 수 있다. 또한, 그 노출되는 높이가 수면에 가까운 높이로 한정되고 회전체를 보호하는 커버체를 설치하는 경우라도 높이가 낮은 구조체에 의해 커버될 수 있으므로 주변경관을 저해하는 문제도 최소화될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 상기의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 있는 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.

2; 수로 5; 바닥
10; 회전체 20; 회전축
22; 허브 24; 회전축지지체
30; 날개 31; 날개지지대
40; 발전기 43; 증속기
45; 발전기지지체 50; 중량블록
52; 지지기둥 60; 회전체프레임
62; 결합봉 63; 상부받침판
64; 하부받침판

Claims (5)

1. 수직선에 대하여 일측 방향으로 소정의 예각만큼 경사진 회전축(20)과,
   상기 회전축(20)에 직각인 방향에 대하여 상측 방향으로 경사진 상태에서 상기 회전축(20)에 대하여 방사방향으로 연장되는 다수의 날개지지대(31)와,
   상기 다수의 날개지지대(31)의 각각에 결합되어 수력을 받아 상기 회전축(20)을 회전시키는 날개(30)와,
   하측에서 베어링을 매개로 상기 회전축(20)을 지지하는 회전축지지체(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전용 회전체
2. 제1항에 있어서,
   상기 예각은 5°~ 30°의 범위에 포함되는 각도인 것을 특징으로 하는 수력발전용 회전체
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 날개지지대(31)가 상측 방향으로 경사지는 각도와, 상기 예각은 동일한 각도인 것을 특징으로 하는 수력발전용 회전체
4. 수중에 침강되어 수중의 바닥에 접촉하고, 상방으로 연장된 다수의 지지기둥(52)이 설치된 중량블록(50);
   상기 지지기둥(52)에 분리가능하도록 끼움결합되어 상기 중량블록(50)의 상측에 설치되는 회전체프레임(60); 및
   상기 회전체프레임(60)에 설치되고 상기 바닥(5)에 평행하게 작용하는 수력에 의해 발전하는 수력발전용 회전체(10)를 포함하되,
   상기 수력발전용 회전체(10)는,
   수직선에 대하여 일측 방향으로 소정의 예각만큼 경사진 회전축(20)과, 상기 회전축(20)에 직각인 방향에 대하여 상측 방향으로 경사진 상태에서 상기 회전축(20)에 대하여 방사방향으로 연장되는 다수의 날개지지대(31)와, 상기 다수의 날개지지대(31)의 각각에 결합되어 수력을 받아 상기 회전축(20)을 회전시키는 날개(30)와, 하측에서 베어링을 매개로 상기 회전축(20)을 지지하는 회전축지지체(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전장치
5. 제4항에 있어서,
   상기 예각은 5°~ 30°의 범위에 포함되는 각도인 것을 특징으로 하는 수력발전장치
   

Images