KR101242787B1 - 에너지 토출을 극대화한 유수력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흐르는 물 즉, 유수력을 이용한 발전기에 관한 것으로, 특히 흘러가는 물의 힘이 최대한 수차의 회전에 작용되도록 하고, 물 위의 수차가 회전하는 방향으로 불어오는 바람을 수차의 회전에 이용하면서 수차가 회전하는 반대방향으로 불어오는 바람은 수차의 회전에 장애를 주지 않도록 유도하는 등 여러 가지의 개선을 통하여 에너지 토출을 극대화한 것이다.

Description

에너지 토출을 극대화한 유수력 발전장치{WATER POWER GENERATOR}

본 발명은 흐르는 물 즉, 유수력을 이용한 발전기에 관한 것으로, 특히 흘러가는 물의 힘이 최대한 수차의 회전에 작용되도록 하고, 물 위의 수차가 회전하는 방향으로 불어오는 바람을 수차의 회전에 이용하면서 수차가 회전하는 반대방향으로 불어오는 바람은 수차의 회전에 장애를 주지 않도록 유도하는 등 여러 가지의 개선을 통하여 에너지 토출을 극대화한 것이다.

주지된 바와 같이 강물과 같이 흘러가는 물과 바다의 밀물과 썰물은 그 자체가 큰 에너지를 갖고 있는데, 이러한 에너지를 이용하여 동력을 얻는 것을 수력발전이라 부르고 있다.

이와 같은 수력을 이용한 발전기에서 위에서 떨어지는 물을 이용한 발전기는 상향식 발전기라 부르고 있으며, 흘러가는 물을 이용한 발전기는 하향식 발전기라 부르고 있다. 그러나 이와 같은 종래의 발전방법은 물이 가지고 있는 힘의 에너지를 10％ 이하로 활용하는데 그치고 있다.

예를 들어 표현한다면 하향식 뜰통 발전기의 수차 직경이 10cm로 제작하여 물 위에 놓고 회전하였을 때 1초에 10회전 열 바퀴 회전하였다고 가정한다면 수차 지름을 배로 큰 직경(20cm)으로 제작하여 똑같은 조건에 놓고 회전하였을 때는 10회전의 ½ 즉, 5회전(다섯 바퀴)한다는 것을 실험을 거치지 않아도 알 수 있다.

회전속도가 ½로 줄어든 것은 수차 둘레(직경)가 배로 증가했기 때문이다. 에너지 토출을 높이고자 축통(수차) 직경을 크게 제작하여도 에너지 토출이 늘어나지 않는다는 것을 알 수가 있다. 상기한 바와 같이 본 발명은 물의 힘 에너지를 90％ 이상 토출되도록 하여 효율적으로 에너지를 얻는 것을 발명의 목적으로 하고 있다.

종래의 유수력 발전기에 의하면, 흘러가는 물의 힘을 수차에 전달하는 정도가 부족하고, 수차의 수차날개가 중심축으로부터 방사상의 방향으로 설치되는 형태이므로 날개의 끝단부에는 다른 수차날개와의 거리가 너무 멀어 수차날개에 전달되는 수력의 힘이 일시적으로 급격하게 저하되므로 수차에 균일한 회전력이 발생하지 못했던 것이다.

또한, 수차날개에 바람이 작용하게 되는 경우 수차의 회전방향과 반대 방향으로 바람이 불어오면, 수차의 회전에 저항으로 작용하여 효율을 저하시키게 되며, 수차에 덮개를 덮어 바람을 차단하게 되면 덮개의 내부에서 밀폐된 공기가 수차의 회전에 방해를 주게 됨과 아울러 수차의 회전방향으로 작용하는 공기도 차단하게 되는 불합리한 점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명은 흐르는 물이 수차의 날개에 최대한 작용하여 회전력 증강에 크게 도움이 되도록 하고, 수차를 향해 불어오는 바람이 수차의 회전과 같은 반향으로 불어오면 이를 수차의 회전에 이용토록 하고, 수차의 회전방향에 반대방향으로 불어오는 바람은 수치의 회전에 영향을 주지 않고 배출되도록 하여 유수력 발전에 물의 흐름과 풍력까지 동시에 이용하여 최대한 효율성이 높은 유수력 발전을 이룩할 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 물속 지면에 고정되는 리프트기둥을 타고 승강하는 리프트를 구성하고, 리프트에는 일부가 물에 잠겨 물의 흐름에 의해 회전하는 수차를 설치하며, 이러한 수차는 살대 형식으로 구성되어 물에 입수 및 출수시 저항을 적게 받도록 하였다.

그리고 수차날개가 방사상으로 구성되는 수차의 가장자리 부분에는 보조날개 구성하여 균일한 수력이 작용토록 하며, 수차를 덮어주는 커버를 구성하되 수차의 회전방향과 같은 방향으로 바람이 불어올 때는 바람이 수차의 회전에 도움을 주도록 흐르게 유도하며, 바람이 수차의 회전방향과 반대방향으로 불어올 때는 수차의 회전에 방해가 되지 않게 흐르도록 유도함을 특징으로 한다.

본 발명은 파도나 수위에 관계없이 연속적이고 안정적인 발전이 가능하며, 수차날개 저항을 줄여 발전효율을 높였으며, 바람에 의해 수차의 회전에 장애를 받는 것을 방지하면서 바람을 수차의 회전에 도움을 주도록 함으로써 수력과 풍력을 동시에 발전에 사용하게 되는 효과가 있다.

결국 본 발명은 자원 고갈을 걱정하는 시대에 있어 저렴한 비용으로 안정적인 전력을 생산하게 되는 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전체구성 사시도
도 2는 본 발명의 설치상태 정면도
도 3은 본 발명의 작용을 설명한 수차날개와 뚜껑의 상세 단면도
도 4는 도 3의 다른 작용 상태도
도 5는 본 발명의 부력감지장치에 대한 단면도
도 6은 본 발명의 커버에 대한 다른 실시 예시도

이하 본 발명의 발전기에 대한 바람직한 구성 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 살펴본다.

본 발명의 발전장치는 물속 지면에 4개의 리프트기둥(1)을 고정시키고 상기 리프트기둥(1)을 타고 상하로 승강이 가능한 리프트(10)를 설치하였다. 리프트(10)의 승강은 유압이나 모터를 이용한 공지된 자동차 정비용 리프트와 같은 방식으로 승강을 하도록 구성한다.

상기 리프트(10)에는 수차(11)가 설치되는데, 수차(11)의 중심축(2)을 리프트(10) 양측의 베어링(3)으로 설치하며, 상기 리프트(10)의 승강은 뒤에 설명될 부력감지장치(20)의 부력 감지에 의해 이루어진다.

리프트(10)에는 발전기(4)가 설치되고, 중심축(2)과 발전기(4)는 기어나 벨트 등으로 구성된 동력전달장치(16)에 의해 연결되어 수차(12)의 회전에 의해 발전기(4)가 작용하도록 구성된다.

이와 같은 구성은 에너지를 토출하는데 있어 가장 핵심적인 기술이라 할 수 있다.

상기 수차(11)의 중심축(2)은 수차(11)의 크기와 관계없이 수면을 중심으로 한 위쪽 방향으로 일정한 높이에 위치하도록 할 수 있으며, 중심축(2)이 위치하는 적당한 높이는 수면으로부터 위로 10cm 이내이다.

본 발명의 수차(11)에는 중심축(2)으로부터 방사상의 방향으로 8개의 수차날개(12)를 구성하고 각 수차날개(12)는 수많은 살대(12')가 연속되는 형태로 구성하였는데, 수차날개(12)를 좀더 상세히 살펴보면 대칭되는 위치의 2개의 수차날개(12)가 수평상태(도 3 참조)가 되었을 때 각 살대(12')는 물이 흘러들어오는 쪽이 낮고 물이 흘러나가는 쪽이 높게 기울어지는 40도 내지 50도(바람직하게는 45도) 각도로 설치하였다. 따라서 이러한 각도는 수차날개(12)가 수직상태와 수평상태에서 방향만 다른 형태로 40도 내지 50도 각도가 유지된다.

따라서 살대(12')가 경사진 상태로 수차날개(12)가 입수함으로 인하여 물의 저항을 최소화하면서 입수할 수 있고, 물속에서 물 밖으로 올라오는 수차날개(12)도 45도 각도에서 입상함으로 인하여 물을 퍼올리는 것을 방지할 수 있으며, 결국 각 수차날개(12)가 입수와 출수 시에 저항을 최소화하면서 원활하게 회전할 수 있게 된다.

물 위에 노출된 위치의 수차날개(12)의 살대(12')는 회전에 의하여 공기의 저항을 받는 것을 줄이기 위하여 살대(12')와 살대(12') 사이로 바람이 빠져나갈 수 있게 하였으며, 물속에 잠겨 회전하는 수차날개(12)의 살대(12')는 밀려 들어오는 물이 쉽게 빠져나갈 수 없도록 경사진 각도로 촘촘히 나열함으로 인하여 물이 가지고 있는 힘의 에너지를 최대한 활용 가능케 하였다.

그리고 수차날개(12)는 중심축(2)으로부터 방사상의 방향으로 구성되므로 가장자리 측에는 수차날개(12) 간의 거리가 멀어진다. 따라서 수차날개(12)와 인근한 수차날개(12) 사이의 위치에서는 수차날개가 수력을 충분히 받지 못하게 되므로 균일한 회전력을 얻기가 어려운 문제가 있다.

이를 해결하기 위하여 본 발명은 수차날개(12)와 수차날개(12) 사이의 가장자리 부분에 3-5개의 살대(12') 형태로 된 보조 날개(12")를 구성하였다. 따라서 수차날개(12)와 수차날개의 사이에 위치한 보조날개(12")가 수력의 공백을 메우며 균일한 회전력을 얻을 수 있게 된 것이다.

4개의 리프트기둥(1)은 발전기(4)가 설치된 리프트(10)를 안전하게 받쳐주는 기능을 담당하고 상하로 움직이는 리프트(10)는 리프트기둥(1) 속에 블레이크 키(리프트가 상승하면서 추락하지 않도록 하는 안전장치)가 나열되어 있어 발전기의 진동을 방지한다.

수차(10)의 수면 위 외부에는 파도와 빗물, 외부의 이물질 등으로부터 수차를 보호하기 위한 커버(30)를 구성하였으며, 커버(30)의 일측 즉, 물이 흘러오는 쪽 측면에는 외부 측이 낮고 내부 측이 높게 경사진 45도 살대(31)가 촘촘히 나열되어 있어 외부 파도 물결이 내부로 들어오지 못하게 하고, 바람은 수차날개(12)의 위로 돌아서 배출되도록 함으로써 수차날개(12)의 회전에 영향을 최소화하도록 하였으며, 내부에서 수차(12)의 회전에 의해 발생되는 바람은 밖으로 잘 빠져나가게 하였다.

그리고 커버(30)의 상기 살대(31)가 설치된 쪽 반대 측에는 수평방향으로 바람이 진입하도록 된 수평살대(32)를 설치하였고 수평살대(32)의 위에는 상부가 중심이 되어 유동하는 유동판(33)을 설치하여 바람이 불면 젖혀질 수 있도록 하였다.

발전기는 수차날개(12) 중심축(2)이 수면 위에 일정하게 고정되어 있어야 발전 효율을 높일 수가 있을 것이며, 부력기(20)가 물결 및 파도에 의해 수시로 승강 작동한다면 수차날개(12) 파손 및 발전 효율을 떨어뜨리게 된다.

본 발명은 이와 같은 것을 방지하기 위하여 리프트(10)를 승강시키는 작용을 제어하는 스위치 역할을 하도록 부력감지장치(20)를 구성하는데, 부력감지장치(20)는 도 5에서 자세히 볼 수 있듯이 리프트(10) 일측 상면에 설치되고 아래로 부력기(20')가 돌출되도록 설치되는데, 물에 잘 뜨는 재질의 부력기(20') 상단에 감지부(23)를 구성한 다음 감지부(23)가 상승하거나 하강하여 접촉되는 위치에 감지센서(24)를 설치하여 부력기(20')가 상승하거나 하강하면 감지센서(24)에 감지되도록 하였다.

부력장치와 관련한 작용을 살펴보면, 본 발명의 유수력 발전기가 설치된 하천 등의 수위가 높아지면 수차(11)가 설치된 리프트(10)가 물속 깊이 위치하여 수차날개(12)의 회전이 원활하지 않게 되는바, 이런 경우 부력기(20')에 부력이 작용하여 상승하면 감지부(23)가 상부의 감지센서(24)에 감지되고, 이러한 상태에서는 감지센서(24)가 리프트(10)를 상승시키라는 신호를 발생하여 리프트(10)를 상승시키는 작용을 하도록 함으로써 적절한 높이에 리프트(10)가 위치하도록 하는 것이다. 리프트(10)가 상승하다가 감지부(23)가 감지센서(24)와 이격되면 상승이 멈추고 정상적인 발전작용을 계속하게 된다.

반대로 하천 등의 수위가 낮아지면 수차(11)가 설치된 리프트(10)가 물 위로 올라오고 수차날개(12)의 아래쪽 일부분만 물속에 위치하므로 유수력을 충분히 받지 못하게 되는바, 이런 경우 부력보다 부력기(20')의 중력이 커서 부력기(20')가 하강하면 감지부(23)가 아래의 감지센서(24)에 감지되고, 이러한 상태에서는 아래의 감지센서(24)가 리프트(10)를 하강시키라는 신호를 발생하여 리프트(10)를 하강시키는 작용을 하도록 함으로써 적절한 높이에 리프트가 위치하도록 하는 것이다. 리프트(10)가 하강하다가 감지부(23)가 아래의 감지센서(24)로부터 이격되면 하강을 멈추고 정상적인 발전작용이 계속된다.

이로 인해 리프트(10)를 수면으로부터 항상 일정한 높이에 위치시킬 수가 있다.

부력감지장치(20)에는 부력기(20')의 작동부력을 조절할 수 있도록 구성되는데, 부력기(20')가 상승할 때 압축되면서 탄성을 갖는 스프링(21)을 설치하고 스프링(21)을 압축시킬 수 있도록 나사방식으로 체결된 조절캡(22)을 구성하였다.

이러한 구성에 의해 조절캡(22)을 회전시켜 스프링(21)을 압축시키면 스프링(21)의 탄성력이 강해지므로 부력기(20')가 상승하는데 요구되는 부력이 커져야 하므로 작은 파도나 물의 흐름 등 작은 수위의 변화에는 부력기(20')가 작동하지 않도록 조절할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

기본적으로 먼저 물의 흐름에 의해 수차(11)가 회전하게 되고 중심축(2)과 동력전달장치(5)로 연결된 발전기(4)가 작동하여 발전을 하게 된다.

본 발명에 의하면 수차(11)의 수차날개(12)는 다수의 살대(12')가 연속된 형태이므로 물에 입수할 때 물과 부딪치는 충격과 저항 및 소음이 최소화되고, 수면 위로 상승할 때도 물에 의한 저항이 최소화된다.

수차날개(12)는 물에 입수됨과 동시에 살대(12')의 넓은 측면에 물의 흐름이 부딪히면서 수차(11)의 회전작용을 이룩한다.

본 발명에 의하면 수차(11)의 상부에 커버(30)가 씌워진 상태인데, 물이 흘러가는 방향(수차의 상부 회전방향과 반대 방향)으로 불어오는 바람은 살대(31)를 통하여 커버(30) 내부의 상부로 바람이 유도되어 수차(11)의 회전에 장애를 주지않게 되고, 이러한 바람은 커버(30)의 반대쪽에서 유동판(33)을 밀고 배출된다.

물이 흘러가는 반대쪽으로 불어 오는 바람은 수평살대(32)를 통해 수차날개(12)에 곧바로 작용하게 되므로 수차(11)의 회전에 도움을 주며, 유동판(33)을 밀고 들어가는 바람도 수차날개(12)에 작용하면서 회전력을 증가시킨다.

그리고 수위의 변화가 발생하면 부력감지장치(20)의 부력기(20')가 작용하여 감지부(23)가 상부 또는 하부의 감지센서(24)에 감지되면 이러한 감지신호에 의해 리프트(10)를 상승 또는 하강시켜 적절한 높이에 이르게 하여 계속적으로 원활한 수차의 회전을 이룩하게 된다.

도 6의 실시 예에 의하면 물이 흘러오는 쪽의 커버(30)에는 바람을 상부로 유도하는 가이드판(35)(35')을 구성하고 그 아래 측방향으로 통공(36)을 형성하며, 커버(30)의 물이 흘러가는 쪽 일측에는 내부 측으로만 열리는 개폐판(34)과 바람을 반대방향으로 유도하는 가이드판(37)을 구성하였다.

이러한 구성에 의하면, 물이 흘러오는 측으로부터 바람이 불면. 바람이 수차(11)의 상부를 통과한 다음 반대 측에서 개폐판(34)이 닫혀 있으므로 수차(11)를 향해 바람이 다시 순환하게 되고, 이러한 바람에 의해 수차의 회전에 도움을 주게 된다. 또 반대방향으로 바람이 불면 바람이 개폐판(34)을 밀고 들어가 곧바로 수차에 작용하게 되며, 수차를 통과한 바람은 커버(30) 측면의 통공을 통해 배출된다.

결국, 이러한 실시 예에 의하면 바람의 방향에 관계없이 바람을 수차의 회전 즉, 발전에 사용할 수 있게 되는 것이다.

1: 리프트기둥 2: 중심축
3: 베어링 4: 발전기
5: 동력전달장치
10: 리프트 11: 수차
12: 수차날개 12': 살대
12": 보조날개
20: 부력감지장치 20: 부력기
21: 스프링 22: 조절나사
23: 감지부 24: 감지센서
30: 커버 31: 살대
32: 수평살대 33: 유동판

Claims (2)

1. 물속 지면에 4개의 리프트기둥(1)을 고정시키고 상기 리프트기둥(1)을 타고 상하로 승강이 가능한 리프트(10)를 설치하며,
   상기 리프트(10)에는 중심축(2)이 발전기(4)와 연결되는 수차(11)를 설치하며,
   수차(11)에는 중심축(2)으로부터 방사상의 방향으로 살대(12')가 연속되는 수차날개(12)를 구성하고,
   수차(10)의 수면 위 외부에는 물이 흘러오는 쪽 측면에는 외부 측이 낮고 내부 측이 높게 경사진 살대(31)가 촘촘히 나열되어 있는 커버(30)를 구성한 유수력 발전장치에 있어서,
   수차날개(12)와 수차날개(12) 사이의 가장자리 부분에 보조 날개(12")를 구성하며,
   커버(30)의 상기 살대(31)가 설치된 쪽 반대 측에는 수평방향으로 바람이 진입하도록 된 수평살대(32)를 설치하였고,
   리프트(10)를 상하로 움직이기 위한 부력감지장치(20)는 리프트(10)의 상부에 설치되고 아래의 물속으로 부력기(20')가 돌출되도록 설치됨을 특징으로 하는 에너지 토출을 극대화한 유수력 발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   수평살대(32)의 위에는 상부가 중심이 되어 유동하는 유동판(33)을 설치하여 바람이 불면 내부 측 또는 외부 측으로 젖혀질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 토출을 극대화한 유수력 발전장치.
   

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