KR101263553B1 - 다단계 복류식 수차발전소구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복류식 수차(25)가 다단계로 설치된 다단계 복류식 수차발전소에 관한 것으로, 수심을 최대한 활용하여 통과수량 증대에 의한 회전에너지를 대형화하기 위하여, 복류식 수차의 수차샤프트를 수차틀(33)에 회전가능하게 고정하여 해저에서 상단까지 개방되도록 수직으로 축조된 교각 사이에 형성된 수로에 입수구와 배수구가 형성된 수차집 중심에서 회전가능하도록 수차홈에 수심에 따라 다단계로 설치할 때, 동력연결조인트(35)로 상하 동력을 하나로 결합하고, 에어 포켓(46), 리테이너(91),개스킷으로 베어링(50)의 방수상태를 유지하며, 수차의 설치와 인양 및 보수가 가능하도록 수차고정장치와 타워크레인 및 운반차로 구성된 보수장비를 갖추어 수차틀의 설치와 인양에서 수중작업을 배제하고, 각 수차 에너지를 큰 에너지로 통합함으로써, 수심을 최대한 활용하여 발전소의 전장(全長) 길이가 축소되고, 발전소 구조물이 단순하여 건설비용이 절감되며, 저낙차에서도 발전이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

다단계 복류식 수차발전소구조물{Double current generating station structure of the multi-level frames of water turbines}
본 발명은 복수의 복류식 수차가 다단계로 설치된 다단계 복류식 수차발전소에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수차샤프트를 수차틀에 결합한 복류식 수차를 수심에 따라 수직으로 축조된 교각의 수차 홈에 다단계로 설치하여 조차, 또는 발전용수의 유입량에 따라 발전량을 증대할 수 있도록 수문으로 가동률과 통과수량이 조절 가능한 다단계 복류식 수차발전소에 관한 것이다.
조력발전은 조차를 발전낙차로 이용하는 것이므로 많은 량의 조류를 통과시킴으로써 단위 통과수량이 가지고 있는 작은 에너지를 큰 에너지로 집약(集約)하여 발전시간을 최대한 연장하고 발전량을 극대화하기 위해서 낙차를 조절하고 평균발전량을 유지할 수 있도록 통과수량으로 발전량을 조절하며, 초저낙차에서도 변환효율이 높은 수차를 이용하여 복류식으로 발전할 필요가 있다.
수심이 깊은 해협에 조력발전소를 건설할 때 발전소와 방조제로 조류의 통과공간이 대폭 축소되고, 조석간만으로 수위의 변동이 심하여 수위차가 좁아질수록 유속이 느려 수차와 발전기를 1:1로 설치할 경우, 저수지 면적에 따라서 방조제 전체에 발전소를 건설해도 발전용수와 발전낙차를 충분히 확보하기가 어려울 뿐만 아니라 발전량에 비해 발전소 건설비용이 과다할 수 있다.
복류식 수차는 수직으로 설치된 교각 사이에 세로축으로 설치되어 입수구에서 날개 사이에 실린 물을 배수구로 배출시켜 날개 사이가 비워진 채로 입수구로 돌아가도록 되어있어 회전저항을 최소화한 수차로, 조류가 어느 방향으로 진입하든지 일방향으로 회전하고 낙차에 상관없이 변환효율이 높고 균일하며 배수구가 노출되었을 때는 물론 수중에서도 회전가능하다.
프로펠러와 터빈은 조류가 회전축과 평행하게 통과하므로 조류의 진입방향이 바뀌면 회전방향이 따라 바뀌고 에너지 변환효율이 낮아지며 설치 수심이 유지되지 않으면 공기 혼입에 의한 와류로 변환효율이 더 떨어지지만, 복류식 수차는 일부가 수면에 노출되더라도 와류가 적고 유효낙차에 도달하면 회전하므로 해저부터 만조수위(대조의 고조면)까지 조류의 통과높이를 확장함으로써 낙차가 좁아 유속이 느리더라도 대량의 통과수량으로 발전가능한 회전에너지를 얻을 수 있다.
복류식 수차는 해저에서 평균해면 또는 저수가능수위까지 설치하고 가동시간을 1시간만 늦추어도 낙차가 당일 해당(該當) 조차의 1/6씩 증가하므로 조차 및 만조와 간조시간을 잘 활용하면 같은 저수량으로 발전량을 증대할 수도 있다.
다만, 수차가 수심에 따라 맞춤으로 제작되면 운반과 설치가 어렵고 높이가 클수록 중간 구동부의 설치가 불가피하므로 균일한 규격으로 제작된 수차가 수직 다단계 설치됨으로써 중간구동부를 가진 수차가 수심에 따라 수십 미터까지 설치가능하고, 수차 높이에 따라서 발전소 전장(全長) 길이가 짧아지고 발전기를 수면 위로 노출할 수 있다.
수차틀이 발전소 상단에서 수직으로 설치되거나 인양되므로 이동가능한 크레인과 운반차를 이용하면 배수나 위험한 수중작업이 거의 배제될 수 있다.
[문헌 1] KR 10-2009-0088792(특허출원 번호) (홍문표) 2009. 9. 20. [문헌 2] KR 10-2009-0088795(특허출원 번호) (홍문표) 2009. 9. 20. [문헌 3] KR 10-2010-0027024(특허출원 번호) (홍문표) 2010. 3. 26. [문헌 4] KR 10-2010-0027025(특허출원 번호) (홍문표) 2010. 3. 26. [문헌 5] KR 10-2010-0027026(특허출원 번호) (홍문표) 2010. 3. 26. [문헌 6] KR 10-2010-0027030(특허출원 번호) (홍문표) 2010. 3. 26. [문헌 7] US 2006/0140724 A1
[문헌 8] 수력발전(hydroelectric power generation) Daum 백과사전(on line)(검색일 2008-11-25) [문헌 9] Tidal power Daum 백과사전(on line)(검색일 2008-11-25)
그러므로 수심을 최대한 활용할 수 있도록 수차를 수직 다단계로 설치하여 복수의 중간 구동부를 일정한 간격으로 설치한 한 개의 수차가 회전하는 것처럼 수차 홈에 끼워 조립하여 각 수차의 작은 에너지를 하나로 모아 대형화하고, 구동부를 이중으로 방수하며, 수심을 최대한 활용하여 발전소 전장 길이를 축소하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 다단계 복류식 수차발전소구조물은 해저에서 수차기초(37)로 연결되고 벽면에 상기 수차기초(37)에서 상단까지 수직으로 연장된 수차홈(34)과 수문홈(84)을 가지며 상단이 인양구(58)를 가진 발전소 상판(64)과 도로 상판으로 연결된 수직형 교각(65)으로 형성된 수로;
상기 수로에 수용되며 상기 수차홈(34)에 밀착되도록 세로대에 고정된 호형 스프링(117)과 원형 스프링(117a) 및 상기 호형 스프링(117) 외측에 회전가능하게 고정된 활차(40)로 형성된 복수의 진동억제장치(121) 및 상기 세로대에 결속된 가로대로 형성된 수차틀(33)과,
상기 수차틀(33)에 수차샤프트(27)가 방수장치를 가진 구동부로 회전가능하게 고정된 복수의 복류식 수차(25) 및 상기 복류식 수차(25)와 수면에 노출된 발전기(57) 사이가 유니버설조인트와 메인샤프트(61)로 연결된 수차발전기;
상기 복류식 수차(25)를 둘러싸서 입수구와 배수구가 상기 수로의 중앙에 형성되거나 회전방향으로 치우쳐 형성되도록 상기 교각(65)과 일체형으로 축조되거나 상기 수차틀(33)에 부착된 1쌍의 수차집(32);
상기 수차집(32) 외측에서 상기 수문홈(84)을 궤도로 개폐되어 상기 수차발전기 가동률, 또는 발전량을 조절하는 수문(85);
상기 수차발전기를 설치하거나 권양하는 임시고정장치 및 권양(捲揚)장치가 포함되되;
조류의 통과방향과 통과높이에 상관없이 유효낙차에 도달하면 복류식으로 발전가능한 것을 특징으로 한다.
상기 복류식 수차(25)는 상기 수차기초(37)에서 평균해면 또는 저수가능수위까지 상기 수차홈(34)에 세로축으로 수용되도록 상기 수차샤프트(27)가 동력연결조인트(35)로 다단계 연결되어 조류가 좌우 어느 방향으로 진입하든지 상기 수차샤프트(27)와 직각으로 통과하여 일 방향으로 회전가능한 것을 특징으로 한다.
상기 방수장치는 상기 수차샤프트(27)와 동축을 가지도록 중격판(47)에 부착된 에어 포켓(46)이 상기 복류식 수차(25) 상단에서는 상기 수차틀(33)에 고정된 베어링집(51) 내측으로 삽입되어 베어링(50)까지 연장되고 상기 복류식 수차(25) 하단에서는 상기 수차틀(33)까지 연장되어 상기 베어링집(51)을 수용하며, 상기 에어 포켓(46)과 상기 베어링집(51)으로 형성된 공간에 그리스(grease)가 채워지고 상기 공간 입구에 리테이너(retainer)(91)가 삽입되며, 볼트와 너트(115)로 결속된 상하 수차틀(33) 사이는 개스킷(gasket)(86)으로 방수되는 것을 특징으로 한다.
상기 임시고정장치 및 권양장치는 상기 수차홈(34) 상단에 고정된 1쌍의 고리 핀(66)과 상기 고리핀(66)에 걸어 임시고정할 수 있도록 상기 수차틀(33)에 경첩으로 부착된 1쌍의 고리(36), 및 상기 발전소 상판(64)에서 이동하면서 상기 복류식 수차(25)와 상기 발전기(57)를 운반하여 설치하거나 권양하는 크레인과 운반차가 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 수심을 최대한 활용하여 저 낙차에서도 발전가능한 회전에너지를 얻을 수 있고, 수차의 설치 및 인양작업이 수면에서 진행되므로 배수나 수중작업이 거의 배제되며, 수차발전소구조물이 단순하고 발전기가 수면에 설치되어 건설비용 및 관리비용이 절감되고, 조력발전시스템과 발전관리방법에 따라서 발전량을 증대할 수 있다.
제1도는 샤프트기어와 동력연결조인트 단면도
제2도는 상하 수차의 동력연결 및 방수장치 상세도
제3도는 수차틀 고정 장치와 수차틀 고리상세도
제4도는 교각과 수차틀 조립단면도
제5도는 다단계수차 조립입면도
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수차틀의 제작과 다단계수차발전소에 관하여 상세하게 설명한다.
도 1은 수차틀(33)에 세로축으로 회전가능하게 고정된 복류식 수차(25)가 다단계 설치된 복류식 수차발전소입면도로, 수차틀(33)이 저수가능수위 또는 평균해면까지 다단계 설치될 수 있도록 교각(65)이 수직으로 축조(築造)되어 수로가 해저에서 교각(65) 상단까지 개방되고 하단이 수차기초(37)로 연결되며, 벽면에 수차홈(34)과 수문홈(84)이 수차기초(37)에서 상단까지 수직으로 형성되고, 상단에서 인양구(58)를 가진 발전소 상판(64)과 도로 상판으로 연결된다.
수차틀(33)은 세로축으로 회전하도록 복류식 수차(25)의 수차샤프트(27)가 회전가능하게 고정된 가로대와, 수차홈(34)에 고정되도록 진동억제장치(121)가 부착된 세로대가 상기 복류식 수차(25)를 수용가능하도록 볼트와 너트(115)로 결속되는데, 진동억제장치(121)는 수차틀(33)이 수차홈(34)과의 유격(遊擊)으로 인한 진동과 기울어짐이 억제되도록 도 3에 도시된 바와 같이 한쪽 끝이 세로대에 부착된 호형 스프링(117)과 세로대 사이에 원형 스프링(117a)이 부착되고 상기 수차틀(33)을 설치하거나 인양할 때 수차홈(34)과의 마찰 이 적도록 호형 스프링(117) 외측에 활차(40)가 회전가능하게 고정된다.

상기 복류식 수차(25)는 조류가 수평으로 통과하도록 세로축으로 설치되어 입수구에서 날개 사이에 실린 조류가 배수구로 배출되어 날개 사이가 비워진 채로 입수구로 회전하거나 에너지를 흡수하는 날개 면적을 확장하여 저 낙차에서도 에너지 변환효율이 높고 조류가 어느 방향으로 진입하든지 일 방향으로 회전가능하다.
도 2는 수차집(32)이 수차틀(33)에 부착된 수차발전소 평면도로, 복류식 수차(25)의 입수구와 배수구가 수로 중앙에 위치하거나 회전방향으로 치우쳐 형성되도록 수차기초(37)에서 상기 복류식 수차(25)가 설치된 높이까지 교각(65)과 일체형으로 축조되거나 도 2에 도시된 바와 같이 수차틀(33)에 부착된다.

따라서 수차집을 교각에 일체형으로 설치할 때는 발전소구조물 상단의 인양구를 원형, 수차집을 수차틀에 부착할 때는 사각형으로 축조한다.
수차틀(33)을 수차 홈(34)에 끼워 조립할 때, 조립이 끝난 수차틀(33)을 수차틀 고리(36)로 인양구에 걸쳐놓고 크레인으로 다음 수차틀(33)을 올려놓고 동력연결조인트(35)로 상하 샤프트기어(27a)를 연결하고 상하 베어링집 사이에 개스킷을 끼워 넣고 수차틀 양쪽까지 볼트너트(115)로 결합하는 작업을 연속적으로 하고, 인양할 때는 역순으로 작업한다.
그리스가 유출되거나 물이 침투하지 못하도록 상기 공간 입구에 링(ring)형 리테이너(91)가 삽입되고, 평판(87) 사이에 개스킷(gasket)(86)이 삽입된 상하 수차틀(33)이 복수의 볼트와 너트(115)로 결속됨으로써 방수상태가 거의 완벽하게 유지된다.
인양구(58)에서 수차틀(33)을 설치하거나 인양할 때, 도 3과 같이 차하단(次下壇) 수차틀(33)이 인양구(58)에서 차상단(次上壇) 수차틀(33)과 조립 또는 해체될 때까지 인양구(58)에 임시 고정되도록 차하단 수차틀(33)에 경첩(hinge)으로 부착된 고리(36)와 수차홈(34) 상단에 설치된 고리 핀(66)으로 형성된 임시고정장치가 설치되고, 인양구(58))를 따라 양쪽에 설치된 복선 중 외측 궤도로 이동가능하고 수문과 권양장치 설치 및 해체장비인 보조크레인이 추가설치된 타워크레인과, 내측 궤도를 타고 타워크레인 밑을 통과하여 이동하며 벌림 폭 조절이 가능한 상판으로 구성된 복수의 운반차로 수차(25), 발전기, 수문 등을 운반하여 설치하거나 인양한다.
낙차는 좁지만 통과수량이 풍부한 조력발전 및 조류발전과 월파 수류형 파력발전은 물론 4대 강 개발 사업에서 저 낙차 댐에 설치하는 수문에 다단계수차발전소를 건설하여 상류로부터의 입수량에 따라 관리수위를 유지하고 방류수량에 따라 발전량을 조절할 수 있다. 특히 상류로부터 하류까지 댐을 다단계로 건설할 때 홍수 때 상류로부터의 유입수와 지류에서 유입되는 수량을 감안하여 저수량과 안전수위가 계산될 것이므로 수몰지역을 넓히지 않고도 많은 양의 물을 저수하고 홍수수위를 조절할 수 있으며, 각 댐에서의 발전량 합계가 하류에 설치하는 대형 댐의 발전량과 거의 같을 것으로 기대된다.
투자경비를 절약하기 위해 수문을 경제적으로 건설하는 것보다 여유 있게 건설하면 강수량을 예측하여 미리 배수했다가 예측이 빗나가 저수량의 치명적인 차질 없이 발전도 지속적으로 할 수 있을 것이다.
25; 수차 27; 메인샤프트 27a; 샤프트기어
32; 수차집 33; 수차틀 34; 수차 홈
35; 동력연결조인트 36; 수차틀 고리 37; 수차기초
39; 유도판 40; 활차 42; 드럼
43; 날개 44; 원형판 46; 에어포켓
47; 중격판 50; 베어링 51; 베어링집
57; 발전기 58; 발전기샤프트 61; 유니버설조인트
64; 발전기 상판 65; 교각 67; 중심파일
85a; 다단계 수문 86; 개스킷 91; 리테이너
115; 볼트너트 117; 스프링 121; 진동억제장치

Claims (5)

  1. 해저에서 수차기초(37)로 연결되고 벽면에 상기 수차기초(37)에서 상단까지 수직으로 연장된 수차홈(34)과 수문홈(84)을 가지며 상단이 인양구(58)를 가진 발전소 상판(64)과 도로 상판으로 연결된 수직형 교각(65)으로 형성된 수로;
    상기 수로에 수용되며 상기 수차홈(34)에 밀착되도록 세로대에 고정된 호형 스프링(117)과 원형 스프링(117a) 및 상기 호형 스프링(117) 외측에 회전가능하게 고정된 활차(40)로 형성된 복수의 진동억제장치(121) 및 상기 세로대에 결속된 가로대로 형성된 수차틀(33)과,
    상기 수차틀(33)에 수차샤프트(27)가 방수장치를 가진 구동부로 회전가능하게 고정된 복수의 복류식 수차(25) 및 상기 복류식 수차(25)와 수면에 노출된 발전기(57) 사이가 유니버설조인트와 메인샤프트(61)로 연결된 수차발전기;
    상기 복류식 수차(25)를 둘러싸서 입수구와 배수구가 상기 수로의 중앙에 형성되거나 회전방향으로 치우쳐 형성되도록 상기 교각(65)과 일체형으로 축조되거나 상기 수차틀(33)에 부착된 1쌍의 수차집(32);
    상기 수차집(32) 외측에서 상기 수문홈(84)을 궤도로 개폐되어 상기 수차발전기 가동률, 또는 발전량을 조절하는 수문(85);
    상기 수차발전기를 설치하거나 권양하는 임시고정장치 및 권양(捲揚)장치가 포함되되;
    조류의 통과방향과 통과높이에 상관없이 유효낙차에 도달하면 복류식으로 발전가능한 것을 특징으로 하는 다단계 복류식 수차발전소구조물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복류식 수차(25)는 상기 수차기초(37)에서 평균해면 또는 저수가능수위까지 상기 수차홈(34)에 세로축으로 수용되도록 상기 수차샤프트(27)가 동력연결조인트(35)로 다단계 연결되어 조류가 좌우 어느 방향으로 진입하든지 상기 수차샤프트(27)와 직각으로 통과하여 일 방향으로 회전가능한 것을 특징으로 하는 다단계 복류식 수차발전소구조물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방수장치는 상기 수차샤프트(27)와 동축을 가지도록 중격판(47)에 부착된 에어 포켓(46)이 상기 복류식 수차(25) 상단에서는 상기 수차틀(33)에 고정된 베어링집(51) 내측으로 삽입되어 베어링(50)까지 연장되고 상기 복류식 수차(25) 하단에서는 상기 수차틀(33)까지 연장되어 상기 베어링집(51)을 수용하며, 상기 에어 포켓(46)과 상기 베어링집(51)으로 형성된 공간에 그리스(grease)가 채워지고 상기 공간 입구에 리테이너(retainer)(91)가 삽입되며, 볼트와 너트(115)로 결속된 상하 수차틀(33) 사이는 개스킷(gasket)(86)으로 방수되는 것을 특징으로 하는 다단계 복류식 수차발전소구조물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 임시고정장치 및 권양장치는 상기 수차홈(34) 상단에 고정된 1쌍의 고리 핀(66)과 상기 고리핀(66)에 걸어 임시고정할 수 있도록 상기 수차틀(33)에 경첩으로 부착된 1쌍의 고리(36), 및 상기 발전소 상판(64)에서 이동하면서 상기 복류식 수차(25)와 상기 발전기(57)를 운반하여 설치하거나 권양하는 크레인과 운반차가 포함된 것을 특징으로 하는 다단계 복류식 수차발전소구조물.
  5. 삭제
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