KR101238867B1

KR101238867B1 - 수차 발전기

Info

Publication number: KR101238867B1
Application number: KR1020110064881A
Authority: KR
Inventors: 변종건
Original assignee: 변종건
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-03-11
Also published as: KR20130003486A

Abstract

본 발명은 재순환되는 물의 낙차 에너지를 이용하여 기계적 동력 에너지로 변환시키고, 이 동력 에너지를 작물 재배 등에 필요한 전기 에너지로 변환시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 수차 발전기에 관한 것이다.
그 구성은 물을 하측으로 낙하시키도록 공급하는 물 공급부와, 물 공급부로부터 낙하된 물의 낙하에너지로 회전 가능하게 배치되며 구동풀리를 갖는 물레방아 등의 수차와, 수차의 구동풀리와 벨트를 매개로 연동 회전되게 연결되어 상기 수차의 회전속도를 증속시키도록 다수개의 입력풀리와 출력풀리 및 구동축이 직렬로 연결된 증속부와, 증속부에 구성된 구동축들 중 최종단의 구동축에 배치된 출력풀리에 풀리를 매개로 연결된 입력축을 연동 회전시켜 회전 구동력으로 전기를 발생시키는 발전부와, 발전부로부터 출력된 전류를 증폭시키는 증폭기 및 증폭된 전류를 교류 전압으로 출력하는 교류기와, 교류 전류를 각종 전기 설비측으로 배전하기 위한 배전반으로 구성된다.

Description

수차 발전기{A GENERATOR USING WATER TURBINE}

본 발명은 수차 발전기에 관한 것으로, 특히 물레방아의 수위 낙차 에너지로 회전날개를 회전시키고, 회전날개의 회전력을 발전에 필요한 회전 속도로 증속시킬 수 있도록 함과 아울러, 낙차 에너지에 사용된 물을 다시 공급하여 재활용할 수 있도록 그 구조가 개선된 수차 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 우리나라는 매년 화력(무연탄), 수력, 조력, 원자력 등을 에너지원으로 사용하고 있으며, 대체 에너지 개발에도 불구하고 에너지 자원 부존 국가 중 하나에 해당한다.

예컨대, 약 15억톤(3천kcal 이상 열량 기준)의 무연탄이 매장되어 있다고 보고되고 있으며, 그러한 무연탄의 이용가능 매장량은 약 7억톤(강원도 영월, 정선지역에 70% 매장)으로서, 1988년 생산량 2천 4백만톤 이후 가정용 연료/난방 방법의 변화에 따라 생산량이 급감되고 있으며, 그러한 무연탄 자체도 비교적 열량이 낮아 산업용이나 발전용으로 적합하지 않은 상태이다.

또한, 수력의 경우에는 양수발전 등을 포함하여 대략 600만kW가 활용 가능하나, 이미 309만 3천kW 이상이 개발되어 사용 중이므로, 앞으로 활용 가능량은 대략 289만kW(원자력발전소 3기 발전량에도 못 미침)로 추정하고 있다.

또한, 조력의 경우에는 서해안 일부 지역에서 170만kW가 사용 가능한 것으로 추정하고 있으나, 역시 용량이 너무 적고 경제성이 약한 단점이 있다.

그리고, 원자력의 경우에는 연료를 수입에 의존하고 있고, 비록 옥천 지역 등지에서 약 5만톤 정도의 우라늄을 보유하고 있지만, 그 우라늄-235의 함량이 0.03%인 저품위 광이어서 아직은 경제성이 없는 상태이다.

마지막으로, 대한민국에는 석유, 유연탄 등이 전혀 매장되어 있지 않거나 미확인 상태이며, 천연가스도 최근 근해 바다에 매장량과 규모 및 경제성도 불투명한 상태이다.

한편, 하천 주위에는 가로등 등과 같이 복수개의 전력 필요 시설물이 상용전력을 공급받도록 배선된 상태로 세워져서, 저녁시간 대에 조명장치로서 사용되고 있으며, 도시 미화 차원과 에너지 절약 차원에서 이해 상충된 상태로 에너지가 소비되고 있는 상태이다.

종래 기술에서는 가로등은 대체 에너지의 일환으로 태양에너지(태양광/태양열) 또는 풍력에너지를 전기에너지로 변환하여 전력축전지 등에 저장한 축전전력을 사용하고 있으나, 비가 오거나 바람이 불지 않은 때에는 전력 발전이 이루어지지 않아서, 작동 불능 상태가 되는 단점이 있다.

풍력에너지의 경우에는 도심지의 경우 바람이 많이 불지 않으면 전력 발생이 매우 적으므로 조명등에서 필요로 하는 전력량을 감당하지 못하고 있으며, 바람의 방향과 풍량에 따라 매우 유동적인 전력 발전이 이루어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창안된 것으로써, 그 목적은 물의 낙차 에너지를 이용하여 기계적 동력 에너지로 변환시키고, 이 동력 에너지를 작물 재배 등에 필요한 전기 에너지로 전환시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 수차 발전기를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 물을 하측으로 낙하시키도록 공급하는 물 공급부와,

상기 낙하된 물의 낙하에너지로 회전 가능하게 배치되며 구동풀리를 갖는 수차와,

상기 수차의 구동풀리와 벨트를 매개로 연동 회전되게 연결되어 상기 수차의 회전속도를 증속시키도록 다수개의 입력풀리와 출력풀리가 직렬로 연결된 증속부와,

상기 증속부의 최종단에 배치된 출력풀리에 연결된 입력축을 연동 회전시켜 회전 구동력으로 전기를 발생시키는 발전부와,

상기 발전부로부터 출력된 전류를 증폭시키는 증폭기 및 증폭된 전류를 교류 전압으로 출력하는 교류기를 구비하며,
상기 증속부는 상기 발전부에 전기 발생에 필요한 회전 구동력을 제공하도록 서로 외경이 다른 각각의 입력풀리와 출력풀리가 배치된 다수개의 구동축으로 구성되어 최선단의 구동축의 입력풀리는 상기 수차의 구동풀리에 벨트를 매개로 연동 회전되게 연결되고, 선단의 구동축의 출력풀리는 다음단의 구동축의 입력풀리에 밸트를 매개로 연동 회전되게 연결되고, 선단의 구동축의 출력풀리의 외경은 다음단의 구동축의 입력풀리의 외경 보다 크게 형성되며,
상기 증속부의 최종단에 배치된 출력풀리와 연동 회전되게 배치되며, 보조 발전부와 연동 가능한 회전풀리가 각각 병렬로 배치된 연동축을 구비한 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 펌프와 수차를 이용하여 물의 낙하 에너지를 재순환 방식으로 이용할 수 있으므로, 에너지를 대폭 절감할 수 있으며 친환경적인 에너지를 얻을 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 증속부를 이용하여 회전 속도를 배가시킬 수 있으므로, 수차와의 낙하 높이가 낮은 위치에서도 전기 발생에 필요한 회전력을 얻을 수 있게 되어 부피를 대형화하지 않으면서 공간활용성을 증대시킬 수 있는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 수차 발전기의 일 실시 예를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 수차 발전기의 다른 실시 예를 개략적으로 나타낸 구성도.

본 발명은 물의 낙하 에너지로 수차의 회전력을 얻은 후에 수차의 회전력을 발전에 필요한 회전 속도로 증속시킬 수 있도록 한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 수차 발전기는 도 1을 참조하여 설명하면, 그 구성은 물을 하측으로 낙하시키도록 공급하는 물 공급부(10)와, 물 공급부(10)로부터 낙하된 물의 낙하에너지로 회전 가능하게 배치되며 구동풀리(110)를 갖는 물레방아 등의 수차(100)와, 수차(100)의 구동풀리(110)와 벨트(205)를 매개로 연동 회전되게 연결되어 상기 수차(100)의 회전속도를 증속시키도록 다수개의 입력풀리(212,222,232)와 출력풀리(214,224,234) 및 각각의 구동축이 직렬로 연결된 증속부(200)와, 증속부(200)에 구성된 구동축들 중 최종단 구동축에 배치된 출력풀리에 풀리(310)를 매개로 연결된 입력축을 연동 회전시켜 회전 구동력으로 전기를 발생시키는 발전부(300)와, 발전부(300)로부터 출력된 전류를 증폭시키는 증폭기(400) 및 증폭된 전류를 교류 전압으로 출력하는 교류기(500)와, 교류 전류를 각종 전기 설비측으로 배전하기 위한 배전반(600)으로 구성된다.

더 상세히 설명하면, 물 공급부(10)는 물이 흐르는 배관이 수차(100)의 상측에 배치되어 있으며, 수차(100)의 하측으로 낙하된 물을 다시 상부로 끌어올려 배관측으로 압송하기 위한 펌프(15)를 더 구비한다.

수차(100)는 공지의 물레방아를 채택할 수 있고, 축(105)의 단부에 구동풀리(110)가 배치되며, 부식 방지를 위해 스테인레스 재질을 채택할 수 있다.

증속부(200)는 상기한 발전부(300)에 전기 발생에 필요한 회전 구동력을 제공하도록 각각의 입력풀리와 출력풀리가 배치된 다수개의 구동축으로 구성된다.

각각의 입력풀리(212,222,232)들은 각각의 출력풀리(214,224,234)들보다 외경이 더 작게 형성되어 선단의 구동축(제 1구동축(210)이라 칭함)에서 종단측의 구동축(제 3구동축(230)이라 칭함)으로 갈수록 회전 속도를 점진적으로 증속시킬 수 있도록 된 것이다.

즉, 제 1구동축(210)의 입력풀리(212)는 수차(100)의 구동풀리(110)에 벨트(205)를 매개로 연동되도록 연결되고, 제 1구동축(210)의 출력풀리(214)는 제 2구동축(220)의 입력풀리(222)에 벨트(205)를 매개로 연동되도록 연결되어 있다.

그리고, 제 2구동축(220)의 출력풀리(224)는 제 3구동축(230)의 입력풀리(232)에 연결되며, 제 3구동축(230)의 출력풀리(234)는 벨트(205)를 매개로 발전부(300)의 풀리(310)에 연동되도록 연결된다.

바람직하게는, 증속부(200)는 최종단에 해당하는 제 3구동축(230)의 회전 속도가 3600rpm이상이 바람직하지만, 5000rpm을 초과하는 경우에는 터빈이 타버릴 우려가 있으므로 회전 속도를 조절하는 것이 바람직하다.

이를 위해 2개 내지 5개의 구동축이 직렬로 배치되는 것이 바람직하며, 이는 물의 낙하 높이에 따라 낙하 에너지가 가변되며, 이 가변되는 낙하 에너지에 따라 구동축의 개수가 달라지게 된다. 여기서는 일 예로 3개의 제 1,2,3구동축(210,220,230)이 직렬로 배치된 구조로 표현되어 있다.

발전부(300)는 3상 동력 발전기를 채용할 수 있으며, 일 예로 50kw 동력 발전기를 채용할 수 있다.

배전반(600)은 펌프(15)나 작물 재배에 필요한 전기 설비측에 전기를 공급하도록 제어하는 기능을 수행한다.

이때의 배전반(600)은 물을 재공급하기 위한 펌프(15)에 전기를 공급하고도 충분히 남기 때문이다.

이러한 구성을 갖는 본 발명 일 실시 예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 수차 발전기의 일 실시 예는, 물 공급부(10)의 배관으로부터 물이 물레방아 등의 수차(100)에 낙하되면, 수차(100) 측에 물의 낙하 에너지가 전달되어 수차(100)를 회전시키게 된다.

이어서, 수차(100)의 축에 배치된 구동풀리(110)와 제 1구동축(210)의 입력풀리가 벨트(205)를 매개로 연동 회전되게 배치되어 있으므로, 수차(100)의 회전시 제 1구동축(210)이 같이 연동 회전된다.

또한, 제 1구동축(210)은 출력풀리(214)가 제 2구동축(220)의 입력풀리(222)와 벨트(205)를 매개로 연결되어 있으므로, 제 1구동축(210)의 회전력이 제 2구동축(220)을 연동 회전시키게 된다.

이때, 제 1구동축(210)의 출력풀리(214)에 비해 제 2구동축(220)의 입력풀리(222)의 외경이 작게 형성되어 있으므로, 제 1구동축(210)에 비해 제 2구동축(220)의 회전 속도가 빨라지게 된다.

이러한 회전 속도의 증속과정을 통해 제 3구동축(230)의 회전 속도가 발전부(300)의 발전에 필요한 회전 속도에 도달하게 된다.

이후에, 발전부(300)의 발전기가 전기를 발생시키면, 증폭기(400)에서 이를 증폭시켜 교류기(500)측으로 전달하고, 교류기(500)에서 교류 전압을 발생시켜 배전반(600)으로 공급하게 된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예를 개략적으로 나타낸 구성도로서, 그 구성은 앞서 설명한 선 실시 예의 구성요소를 포함하되, 증속부(200)의 제 3구동축(230)에 배치된 출력풀리(234)와 연결되며 보조 발전부(300)와 연동 가능한 회전풀리(252)가 각각 병렬로 배치된 연동축(250)을 더 구비한 것이다.

이는, 연동축(250)의 회전풀리(252)는 보조 발전부(350)에 동일한 축상에 병렬로 연결된 것이다.

보조 발전부(350)는 복수개의 24V 제너레이터가 전기적으로 연결되어 앞서 발전부(300)과는 다른 증폭기(400),교류기(500), 배전반(600)을 통해 220V 전압의 전기를 생산하도록 된 것이다.

상기한 회전풀리(252)들은 각각의 발전부(300)와 벨트(205)를 매개로 연동되게 회전되며, 각 발전부(300)는 선 실시예의 증폭기(400), 교류기(500), 배전반(600)과 동일한 구성요소와 연결되어 필요한 전기 설비(예로 하우스의 작물 재배에 필요한 설비)측에 전류를 공급하게 된다.

한편, 본 발명은 앞서 설명한 발전부(300)가 생략되고 보조 발전부(350)만으로도 전기를 발생시킬 수도 있다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 물 공급부 15 : 펌프
100 : 수차 110 : 구동풀리
200 : 증속부 205 : 벨트
210,220,230 : 제 1,2,3구동축
212,222,232 : (제 1,2,3구동축의)입력풀리
214,224,234 : (제 1,2,3구동축의)출력풀리
250 : 연동축 252 : 회전풀리
300 : 발전부 310 : (발전기의)풀리
350 : 보조 발전부 400 : 증폭기
500 : 교류기 600 : 배전반

Claims

물을 하측으로 낙하시키도록 공급하는 물 공급부와,
상기 낙하된 물의 낙하에너지로 회전 가능하게 배치되며 구동풀리를 갖는 수차와,
상기 수차의 구동풀리와 벨트를 매개로 연동 회전되게 연결되어 상기 수차의 회전속도를 증속시키도록 다수개의 입력풀리와 출력풀리가 직렬로 연결된 증속부와,
상기 증속부의 최종단에 배치된 출력풀리에 연결된 입력축을 연동 회전시켜 회전 구동력으로 전기를 발생시키는 발전부와,
상기 발전부로부터 출력된 전류를 증폭시키는 증폭기 및 증폭된 전류를 교류 전압으로 출력하는 교류기를 구비하며,
상기 증속부는 상기 발전부에 전기 발생에 필요한 회전 구동력을 제공하도록 서로 외경이 다른 각각의 입력풀리와 출력풀리가 배치된 다수개의 구동축으로 구성되어 최선단의 구동축의 입력풀리는 상기 수차의 구동풀리에 벨트를 매개로 연결되어 회전 구동되고, 선단의 구동축의 출력풀리는 다음단의 구동축의 입력풀리에 밸트를 매개로 연결되어 다음단의 구동축의 입력풀리를 회전 구동시키며, 선단의 구동축의 출력풀리의 외경은 다음단의 구동축의 입력풀리의 외경 보다 크게 형성되며,
상기 증속부의 최종단에 배치된 출력풀리와 연동 회전되게 배치되며, 보조 발전부와 연동 가능한 회전풀리가 각각 병렬로 배치된 연동축을 구비한 것을 특징으로 하는 수차 발전기.
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