KR101264872B1 - 수력 발전용 발전기 - Google Patents

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Abstract

수력발전용 발전기가 개시된다. 수력발전용 발전기는, 중공이 형성된 하우징; 상기 중공의 내주면에 설치된 스테이터; 상기 중공에 설치되며, 내부에 유로가 형성된 원통형의 회전체; 상기 회전체와 상기 하우징 사이에 설치되어 상기 회전체를 지지하는 베어링; 상기 유로상에 설치되며, 상기 회전체에 고정된 터빈; 및 상기 회전체의 외주면에 설치되며, 상기 스테이터와 마주보고 설치되는 로터;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 발전효율을 증대시킬 수 있어, 소유량의 물의 흐름에도 경제성이 있는 발전을 할 수 있다.

Description

수력 발전용 발전기{Water power generator}
본 발명은 수력 발전용 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물의 흐름으로부터 전기를 발전할 수 있는 수력발전용 발전기에 관한 것이다.
수력발전은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 물의 위치에너지에 의해 발생한 물의 흐름을 이용하거나, 물의 압력차에 의해서 발생하는 물의 흐름을 이용하여 터빈을 회전시켜 전기에너지를 발생시키는 것을 말한다.
이러한 수력발전은 화력발전이나, 원자력 발전과 달리 환경오염물질을 배출하지 않는다는 장점이 있으나, 큰 물의 흐름을 발생시키기 위해서 대형 댐을 건설하거나, 방조제를 건설해야 하는 등의 환경파괴적인 요인이 있다. 또한, 수력에너지는 수량에 따라 증감이 있어, 우리나라와 같이 계절적으로 유량의 차이가 있는 경우 안정적인 전기 생산을 보장하기 어렵다는 단점이 있다.
이와 같은 수력발전의 단점은 많은 양의 유량이 있어야 경제성이 있는 발전을 할 수 있는 효율이 떨어지는 발전기로 인해서 발생되는 것이다. 만약에 소유량의 물의 흐름에도 효과적인 발전을 할 수 있다면, 소규모 저수시설 혹은 일반 하천수, 상하수도 등 환경을 파괴하지 않고 버려지는 다양한 물의 흐름을 이용하여 발전을 할 수 있게 된다.
따라서, 소유량의 물의 흐름에도 효과적인 발전을 할 수 있는 발전기의 개발이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 소유량의 물의 흐름에도 경제성이 있는 발전을 할 수 있는 수력발전용 발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 중공이 형성된 하우징; 상기 중공의 내주면에 설치된 스테이터; 상기 중공에 설치되며, 내부에 유로가 형성된 원통형의 회전체; 상기 회전체와 상기 하우징 사이에 설치되어 상기 회전체를 지지하는 베어링; 상기 유로상에 설치되며, 상기 회전체에 고정된 터빈; 및 상기 회전체의 외주면에 설치되며, 상기 스테이터와 마주보고 설치되는 로터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기를 제공한다.
상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며, 상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전체의 원주방향으로 번갈아 배치된 것이 바람직하다.
상기 중공의 전방 및 후방에는 상기 유로를 제외한 영역의 방수를 위해 설치된 방수씰;을 더 포함하는 것이 효과적이다.
상기 중공의 입구측에 설치되어 상기 중공과 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로, 중공이 형성된 하우징; 상기 중공에 설치되며, 중앙에 스테이터 삽입공이 형성된, 회전관; 상기 스테이터 삽입공의 중심에 위치하며, 상기 하우징에 고정된 고정축; 상기 고정축의 외주면에 고정된 스테이터; 상기 회전관의 상기 스테이터 삽입공의 내주면에 고정된 로터; 상기 회전관의 외주면에 고정된 터빈; 및 상기 고정축과 상기 회전관 사이에 설치된 베어링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기가 제공된다.
상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며, 상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전체의 원주방향으로 번갈아 배치된 것이 바람직하다.
상기 스테이터 삽입공의 전방 및 후방에는 상기 유로를 제외한 영역의 방수를 위해 설치된 방수씰;을 더 포함하는 것이 효과적이다.
상기 중공의 입구측과 설치되어 상기 중공과 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이장치;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
먼저, 먼저 로터가 터빈에 의해 1차적으로 회전하는 회전축 혹은 회전관에 설치됨으로써, 별도의 증속기가 불필요하여 발전효율을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 코일조립체 및 영구자석조립체가 서로 인접하여 마주보고 설치될 뿐만 아니라, 인접한 영구자석 사이에 발생하는 자기력의 변화에 의해서 발전이 이루어져 발전효율이 더욱 증대된다는 장점이 있다.
그리고, 유량몰이장치로 인해 유속을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 소유량의 물의 흐름에도 경제성이 있는 발전을 할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 수력 발전용 발전기의 사시도
도 2는 도 1의 발전기 본체의 분해 사시도
도 3은 도 1의 하우징의 사시도
도 4는 도 2의 로터와 하우징의 일부 확대 단면도
도 5는 도 1의 유량몰이장치의 사시도
도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 수력 발전용 발전기의 사시도
도 7은 도 5의 발전기 본체의 사시도
도 8은 도 7의 고정축에 스테이터, 베어링 및 방수씰이 장착된 상태의 사시도
도 9는 도 7의 측면도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 수력 발전용 발전기의 사시도, 도 2는 도 1의 발전기 본체의 분해 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수력 발전용 발전기는 중공(111)이 형성된 발전기 본체(100)와, 상기 중공(111)의 입구측에 설치되어 상기 중공(111)과 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치(200)를 포함한다.
발전기 본체(100)는, 중공(111)이 형성된 하우징(110)과, 상기 중공(111)의 내주면에 설치된 스테이터(120)와, 상기 중공(111)에 설치되며, 내부에 유로(131)가 형성된 원통형의 회전체(130)와, 상기 회전체(130)와 상기 하우징(110) 사이에 설치되어 상기 회전체(130)를 지지하는 베어링(170)과, 상기 유로(131)상에 설치되며, 상기 회전체(130)에 고정된 터빈(140)과, 상기 회전체(130)의 외주면에 설치되며, 상기 스테이터(120)와 마주보고 설치되는 로터(160)와, 상기 중공(111)의 전방 및 후방에 상기 유로(131)를 제외한 영역의 방수를 위해 설치된 방수씰(150)을 포함한다.
도 3은 도 2의 하우징의 사시도이다.
도 3에 하우징(110)은 발전기 본체(100)를 다른 구조물(미도시)에 고정하는 것으로서, 중앙에 중공(111)이 형성되며, 물이 유입되는 입구측면(112)과 출구측면(113)에는 방수씰(150)을 고정하기 위한 고정용 나사공(114)이 형성된다.
하우징(110)은 스테이터(120), 회전체(130) 및 베어링(170)의 설치를 용이하게 하기 위해서, 절반으로 절개되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 스테이터(120)가 하우징(110)의 내경에 억지끼움되고, 회전체(130)의 삽입 후 베어링(170)을 억지끼워 조립할 수도 있다.
스테이터(120)는 중공(111)의 내주면에 고정된다. 본 발명에서는 스테이터(120)가 코일조립체로 형성된 것을 예시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 스테이터(120) 및 상기 로터(160) 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체로 형성되어도 무방하다.
스테이터(120)로 사용된 코일조립체는 복수의 코일의 원통형상으로 권선되어 있다. 여기서, 복수의 코일을 고정하기 위한 수지등이 사용될 수 있다. 스테이터(120)는 두께가 얇은 통상으로 형성되는 것이 발전을 효율을 높이는데 바람직하다.
회전체(130)는 원통형상으로 형성되며, 전술한 바와 같은 유로(131)가 내부에 형성되며, 외주면에는 로터(160)가 설치되며, 로터(160)가 설치된 양단에는 베어링이 안착되는 베어링 안착부(132)와, 방수씰(150)이 안착되는 방수씰 안착부(133)가 형성된다. 유로(131)의 내부에는 터빈(140)이 고정된다. 즉, 터빈(140)의 날개 끝단(141)이 유로(131)의 내주면에 고정된다. 그 결과, 유로(131)에 물의 흐름이 발생하면, 터빈(140)에 의해 회전체(130) 전체가 회전하게 된다. 터빈(140)은 일반적인 유체를 이용하여 회전력을 발생시키는 터빈이 사용되며, 다양한 형상이 있을 수 있다.
로터(160)는 영구자석 조립체로서, 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전체의 원주방향으로 번갈아 배치된다. 그 결과, 회전체(130)가 회전하는 경우, 인접한 영구자석(161) 사이에 발생한 자기장(163)을 스테이터(120)의 코일(121)이 끊게 되어, 전기가 발전되게 된다.
방수씰(150)은 고정용 나사공(114)에 고정되며, 일반적으로 매케니컬 씰(Mechanical seal)을 사용하여 베어링(170) 내부, 회전체(130)와 하우징(110) 사이가 침수되는 것을 방지한다.
도 5는 도 1의 유량몰이 장치의 사시도이다.
유량몰이장치(200)는, 입구측(210)과, 상기 중공(111)에 연통되는 출구측(220)을 가진 관상으로 형성된다. 유량몰이장치(200)는 입구측의 면적이 출구측(220) 면적보다 넓게 형성된다. 따라서, 출구측에서 유속이 빨라져 발전량을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
입구측(210)에는 이물질을 일차적으로 걸러주는 거름망(211)이 설치된다.
출구측(220)에는 하우징(110)과 결합을 위한 결합장치(미도시)가 구비된다. 이런 결합장치는 다양한 방법이 알려져 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예의 동작을 설명한다.
먼저, 유량몰이장치(200)의 입구측(210)으로 물이 유입되면, 단면적의 축소로 인해서 유속이 높아져 출구측(220)으로 토출된다. 출구측(220)으로 토출된 물은 하우징의 중공(111)을 관통하여 배출된다. 이때, 회전체의 내부에 고정된 터빈(140)이 회전하게 되어, 회전체(130)도 함께 회전하게 된다.
회전체(130)가 회전을 함에 따라서, 로터(160)가 회전을 하게 되며, 스테이터(120)가 위치한 영역에 자기장의 변화를 일으켜, 스테이터(120)에 전기가 발생하게 된다.
이때, 일반 발전기에 비해서 직경이 큰 회전체(130)의 외주면에 로터(160)가 설치되어, 로터(160)의 직선 속도가 일반적인 축상에 형성된 로터보다 크게 된다. 그 결과, 별도의 증속기의 구성없이도 원하는 양의 발전을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 자기장이 인접하게 배치된 서로 다른 극성의 영구자석 간에 발생하여, 발전 전력이 더욱 증대된다는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예의 수력 발전용 발전기의 사시도, 도 7은 도 5의 발전기 본체의 사시도, 도 8은 도 7의 고정축에 스테이터, 베어링 및 방수씰이 장착된 상태의 사시도, 도 9는 도 7의 측면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예의 수력 발전용 발전기는 중공(1111)이 형성된 발전기 본체(1100)와, 상기 중공(1111)의 입구측에 설치되어 상기 중공(1111)과 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치(200)를 포함한다.
발전기 본체(1100)는, 중공(1111)이 형성된 하우징(1110)과, 상기 중공(1111)에 설치되며, 중앙에 스테이터 삽입공(1121)이 형성된 회전관(1120)과, 상기 스테이터 삽입공(1121)의 중심에 위치하며, 상기 하우징에 고정된 고정축(1130)과, 상기 고정축(1130)의 외주면에 고정된 스테이터(1140)와, 상기 회전관(1120)의 상기 스테이터 삽입공(1121)의 내주면에 고정된 로터(1150)와, 상기 회전관(1120)의 외주면에 고정된 터빈(1160)과, 상기 고정축(1130)과 상기 회전관(1120) 사이에 설치된 베어링(1170)과, 회전관(1120)과 고정축(1130) 사이에 방수를 위해서 설치되는 방수씰(1180)을 포함한다.
하우징(1110)은 발전기 본체(1100)를 다른 구조물(미도시)에 고정하는 것으로 써, 중앙에 중공(1111)이 형성된다. 하우징(1110)은 내부 구조물의 설치를 용이하게 하기 위해서, 절반으로 절개되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
회전관(1120)은 파이프 형상으로 형성되며, 외주면에 터빈(1160)이 설치된다. 회전관(1120)의 외주면과 하우징(1110) 사이의 공간으로 유입된 물이 터빈(1160)에 힘을 가함으로써, 회전관(1120)이 회전되도록 한다.
스테이터(1140)는 고정축(1130)의 외주면에 설치되고, 로터(1150)는 스테이터(1140)를 마주보는 회전관(1120)의 내주면에 설치된다. 본 발명의 실시예에서는 스테이터(1140)가 코일조립체로 형성되며, 로터(1150)가 영구자석으로 형성된 것을 예시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 스테이터(1140) 및 상기 로터(1150) 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체로 형성되어도 무방하다.
스테이터(1140)로 사용된 코일조립체는 복수의 코일이 원통형상으로 권선되어 있다.
로터(1150)는 영구자석 조립체로서, 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전관(1120)의 내주면에 원주방향으로 번갈아 배치된다. 그 결과, 회전관(1120)이 회전하는 경우, 인접한 영구자석(1151) 사이에 발생한 자기장을 스테이터(1140)의 코일이 끊게 되어, 전기가 발전되게 된다.
방수씰(1180)은 일반적으로 매케니컬 씰(Mechanical seal)을 사용하여 회전관(1120)과, 고정축(1130) 사이의 공간을 밀폐한다.
유량몰이장치(200)는 제 1 실시예의 유량몰이장치(200)와 구성이 동일하므로, 동일한 번호를 사용하며, 자세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 제 2 실시예의 동작을 설명한다.
먼저, 유량몰이장치(200)의 입구측(210)으로 물이 유입되면, 단면적의 축소로 인해서 유속이 높아져 출구측(220)으로 토출된다. 출구측(220)으로 토출된 물은 하우징의 중공(111)을 관통하여 배출된다. 이때, 회전관(1120)의 외부에 고정된 터빈(1160)이 회전하게 되어, 회전관(1120)도 함께 회전하게 된다.
회전관(1120)이 회전을 함에 따라서, 로터(1140)가 회전을 하게 되며, 스테이터(1150)가 위치한 영역에 자기장의 변화를 일으켜, 스테이터(1150)에 전기가 발생하게 된다.
이때, 일반 발전기에 비해서 직경이 큰 회전관(1120)의 내주면에 로터(1140)가 설치되어, 로터(1140)의 직선 속도가 일반적인 축상에 형성된 로터보다 크게 된다. 그 결과, 별도의 증속기의 구성없이도 원하는 양의 발전을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 자기장이 인접하게 배치된 서로 다른 극성의 영구자석 간에 발생하여, 발전 전력이 더욱 증대된다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
111, 1111: 중공 110, 1110: 하우징
120, 1140: 스테이터 130: 회전체
170, 1170: 베어링 140, 1160: 터빈
160, 1150: 로터 150, 1180: 방수씰
200: 유량 몰이 장치
1120: 회전관
1130: 고정축

Claims (8)

  1. 중공이 형성된 하우징;
    상기 중공의 내주면에 설치된 스테이터;
    상기 중공에 설치되며, 내부에 유로가 형성된 원통형의 회전체;
    상기 회전체와 상기 하우징 사이에 설치되어 상기 회전체를 지지하는 베어링;
    상기 유로상에 설치되며, 상기 회전체에 고정된 터빈; 및
    상기 회전체의 외주면에 설치되며, 상기 스테이터와 마주보고 설치되는 로터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며,
    상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 회전체의 원주방향으로 번갈아 배치된 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중공의 전방 및 후방에는 상기 유로를 제외한 영역의 방수를 위해 설치된 방수씰;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중공의 입구측에 설치되어 상기 중공과 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이 장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
  5. 중공이 형성된 하우징;
    상기 중공에 설치되며, 중앙에 스테이터 삽입공이 형성된, 회전관;
    상기 스테이터 삽입공의 중심에 위치하며, 상기 하우징에 고정된 고정축;
    상기 고정축의 외주면에 고정된 스테이터;
    상기 회전관의 상기 스테이터 삽입공의 내주면에 고정된 로터;
    상기 회전관의 외주면에 고정된 터빈; 및
    상기 고정축과 상기 회전관 사이에 설치된 베어링;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며,
    상기 영구자석조립체는 상기 영구자석 조립체가 설치된 상기 스테이터 및 상기 로터 중 어느 하나의 원주방향으로 서로 다른 극성의 영구자석이 번갈아 배치된 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 스테이터 삽입공의 전방 및 후방에는 상기 회전관과 상기 고정축 사이의 공간을 방수하기 위해 설치된 방수씰;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 중공의 입구측과 설치되어 상기 중공과 연통되며, 상기 입구측에서 멀어질수록 확관되는 유량 몰이장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전용 발전기.
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