KR101341860B1 - 하수를 이용한 소수력 발전장치 - Google Patents

하수를 이용한 소수력 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수관로 말구와 차집관로 사이에 구비되며, 하수관로 말구로부터 유입되는 하수를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 하수를 이용한 소수력 발전장치에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하수를 이용한 소수력 발전장치는 하수관로 말구와 차집관로 사이에 구비되며, 상기 하수관로 말구에 일단이 고정되는 우오수배관부; 상부에는 상기 우오수배관부의 타단이 관통되고, 하부에는 상기 차집관로와 연결되는 배수관이 구비되며, 내부에는 발전수차가 구비되는 터빈실; 일단이 상기 발전수차의 회전축과 기어결합되는 샤프트를 포함하는 동력전달부; 및 내부에 상기 샤프트와 기어결합되는 발전기가 구비되는 발전실;로 이루어지며, 상기 발전수차는 상기 우오수배관부의 배출구에 배치되고, 회전축이 수직으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

하수를 이용한 소수력 발전장치{Small Hydroelectric Generator using Sewage}
본 발명은 하수를 이용한 소수력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하수관로 말구와 차집관로 사이에 구비되며, 하수관로 말구로부터 유입되는 하수를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 하수를 이용한 소수력 발전장치에 관한 것이다.
기술 발전이 고도화될수록 전기의 수요량도 점차 증가하는 추세이며, 현재까지 전기생산 발전방식은 화력, 원자력 및 수력 발전방식이 주종을 이루고 있으나, 화력 및 원자력 발전방식은 대기오염 및 안전성에 문제가 있고, 댐으로 대표되는 수력 발전방식의 경우 댐건설에 따른 수몰지 발생의 문제가 있고 주변지역의 기후가 변화되는 환경적인 문제가 있다.
지구 온난화와 환경 보호에 대한 관심이 높아지는 가운데, 태양열 또는 풍력을 이용한 친환경 발전 방식이 주목을 받고 있으며, 하천 지류 또는 하수시설의 방류수를 이용한 소수력 발전 방식 또한 주변 환경에 영향을 끼치지 않는 이유로 관심의 대상이 되고 있다.
수력발전 방식의 경우 원활한 전력공급을 위해 충분한 수량 확보가 전제되어야 하는데, 하천을 이용하는 소수력 발전의 경우 갈수기 또는 동절기에 수량확보가 어려운 문제가 있는 반면, 하수를 이용하는 소수력 발전의 경우 상대적으로 기후의 영향을 덜 받는 장점이 있다. 특히 가지 형태의 하수관로가 모이는 하수관로 말구의 경우 계절별 또는 일일 시간대별 수위변동폭이 작아 우수한 수력 동력원으로 활용될 가능성이 있다.
다만, 하수에 포함된 고형물이 수차에 엉키어 고장을 유발할 수 있으므로, 효과적인 여과시설과 여과장치의 정기적인 관리가 선행되어야 하며, 통상 하수관로 말구는 하수처리장과 연결되는 차집관로와 연결되어 있어 두 시설물 사이에 소수력 발전장치를 구비하여야 하는 공간적 제약이 따른다.
소수력 발전기를 수차의 회전축 형식에 의해 분류하면 수평식, 축류식 및 수직식으로 분류할 수 있으며, 수평식 소수력 발전기의 종래기술로서 국내등록특허 제10-1143453호(등록일자: 2012.04.30.)가 개시되어 있는데, 상기 기술은 수차의 회전축이 수평으로 구비되어 지지되고, 회전축 일단이 발전기와 벨트결합으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
그러나 큰 회전력을 얻기 위해서는 수차의 직경이 큰 것이 바람직한데, 전술한 바와 같이 하수관로 말구와 차집관로 사이의 높이에 대한 제약으로 인해 상기 기술은 하수를 이용한 소수력 발전기에 적용하기에는 한계가 있다.
축류식 소수력 발전기의 종래기술로서, 국내등록특허 제10-1195082호(등록일자: 2012.10.22.)가 개시되어 있는데, 상기 기술은 관로 내에 수차가 구비됨으로써 설치가 용이한 이점은 있으나, 하수를 이용한 소수력 발전기의 경우에는 소수력 발전기를 지중에 매설하여야 하므로 유지보수가 곤란하고 특히, 우천시 토사의 유입으로 수차가 정지하는 경우 하수의 역류를 유발할 수 있는 단점이 있다.
KR 10-1143453 B1 2012.04.30. KR 10-1195082 B1 2012.10.22.
본 발명은 상기 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 하수관로 말구와 차집관로 사이에서 전력을 생산할 수 있는 하수를 이용한 소수력 발전장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명은 발전수차에 유입되는 하수가 병진 운동에너지와 함께 회전 운동에너지를 갖도록 하는 하수를 이용한 소수력 발전장치를 제공하고자 한다.
아울러, 본 발명은 발전수차의 회전축에 토사가 침적되는 것을 방지할 수 있는 하수를 이용한 소수력 발전장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하수를 이용한 소수력 발전장치는 하수관로 말구와 차집관로 사이에 구비되며, 상기 하수관로 말구에 일단이 고정되는 우오수배관부; 상부에는 상기 우오수배관부의 타단이 관통되고, 하부에는 상기 차집관로와 연결되는 배수관이 구비되며, 내부에는 발전수차가 구비되는 터빈실; 일단이 상기 발전수차의 회전축과 기어결합되는 샤프트를 포함하는 동력전달부; 및 내부에 상기 샤프트와 기어결합되는 발전기가 구비되는 발전실;로 이루어지며, 상기 발전수차는 상기 우오수배관부의 배출구에 배치되고, 회전축이 수직으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 우오수배관부의 하부측 배관은 하수가 우오수배관부의 배출구에서 회전하면서 배출되도록, 하방으로 구배를 갖는 선회부가 형성된 반원형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 하수를 이용한 소수력 발전장치는 토사의 침적으로 발전수차가 정지되는 것을 방지하기 위해 발전수차의 회전축 하부에는 우산 형태의 실링부가 삽입 고정되고, 회전축 하단은 상기 터빈실의 양 측벽에 양단이 고정되는 수차지지단에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 소수력 발전장치가 하수관로 말구와 차집관로 사이에 구비된 상태에서 일정한 동력원을 확보할 수 있기 때문에 안정적으로 전력을 생산할 수 있으며, 발전수차의 회전축을 터빈실 내에 수직으로 형성함으로써 직경이 큰 수차 날개로 발전수차를 구성할 수 있는 한편, 오수 배관부에 선회부가 형성됨으로써 발전수차에 유입되는 하수가 병진 운동에너지와 함께 회전 운동에너지를 갖게 되어 제한된 공간 내에서도 발전효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 발전수차의 회전축 하부에 실링부와 수차지지단이 형성됨으로써 토사의 침적으로 발전수차가 정지되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 발전장치의 유지관리 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소수력 발전장치를 도시한 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 소수력 발전장치를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 요부를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 발전수차를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 실링부를 도시한 단면 사시도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 소수력 발전장치를 도시한 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 소수력 발전장치를 도시한 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에 따른 하수를 이용한 소수력 발전장치는 하수관로 말구(100)에 구비된 악취가림막(101)과 차집관로(300) 사이에 형성되며, 지상과 지중에 각각 구비되는 발전실(40)과 터빈실(20) 및 상기 시설들과 연결되는 우오수배관부(10)와 동력전달부(30)로 구성된다.
본 발명은 지상에 노출되어 있는 하수관로 말구(100)와 지중에 매립되어 있는 차집관로(300) 사이에 형성되는 소수력 발전장치를 통해 전력을 생산하되 하수의 흐름이 방해되지 않도록 하고, 하수를 이용하는 특성상 유지관리가 용이한 구성으로 실시되는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 요부를 도시한 사시도이다. 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 우오수배관부(10)는 원통형의 관로로 구성되며, 상단은 하수관로 말구(100)와 연통된다. 하수관로 말구(100)와 차집관로(300) 사이에는 하수에 포함된 고형물을 1차적으로 걸러내는 스크린 장치(400)가 구비되게 되고, 우수와 오수를 동일 관로로 관리하는 합류식 하수관로의 경우, 우천시 하수처리장과 연결된 차집관로(300)에 토사가 유입되는 것을 방지하기 위해 자동으로 입구가 밀폐되는 우수토실(200)이 구비되게 된다. 본 발명에서는 스크린 장치(400)나 우수토실(200)의 후방에 우오수배관부(10)의 상단이 형성되도록 함으로써, 고형물 또는 토사에 의해 소수력 발전장치의 고장이 방지될 수 있도록 한다.
본 발명에 의하면, 상기 우오수배관부(10)는 하방으로 구배를 이루며 상기 터빈실(20)에 관통되며, 하부측이 반원형의 배관 형태를 갖는 선회부(12)가 형성되도록 한다. 통상 관로가 하방으로 구배됨이 없이 곡선부를 갖는 경우, 곡선부 말단 배출구에서의 유수는 직선의 흐름만 갖게 된다. 그러나, 상기와 같이 선회부(12)가 하방 구배를 갖는 형태로 구성되는 경우, 하방 유동과 함께 선회부(12)의 외측곡면과의 충돌에 따른 회전유동(Ω)이 하수에 발생하게 된다.
따라서, 상기 선회부(12)는 우오수배관부(10)의 하방 구배에 의한 낙차로 발생하는 하수의 병진 운동에너지와 상기 선회부(12)에 의한 하수의 회전 운동에너지가 함께 발전수차(22)에 전달되도록 함으로써, 발전수차(22)에 대한 동력전달 수율이 증가되도록 한다.
상기 우오수배관부(10)는 하방구배각이 작을수록 회전유동의 발생이 미미하게 되고, 상기 하방구배각이 클수록 하수구 말구(100)와 차집관로(300) 사이 높이의 제한으로 인해 후술할 발전수차(22)의 설치가 곤란해 질 수 있으므로, 상기 하방구배각은 1 ~ 10°의 범위에서 형성되도록 함이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 발전수차를 도시한 사시도이다. 도 2 내지 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 터빈실(20)은 직육면체 형태로 구비되며, 하수의 유체 운동에너지가 발전수차(22)의 기계적 운동에너지로 전환되는 곳이며, 에너지 전환에 사용된 하수를 차집관로(300)로 배출하는 역할을 한다. 이를 위해 맨홀(21), 발전수차(22), 수차지지단(26) 및 우오수배수관(28)으로 구성된다.
상기 맨홀(21)은 발전수차(22) 고장시 긴급복구를 위해 터빈실(20)의 상부에 구비되며, 전술한 바와 같이 우천시 우수토실(200)이 밀폐되어 우오수배관부(10)를 통한 우수의 유입이 차단된 상태에서 하수관로 말구(100) 주변이 범람하는 경우, 상기 맨홀(21)을 통해 우수가 터빈실(20)에 유입되는 것이 방지되도록 상기 맨홀(21)의 테두리에 방수수단(미도시)이 구비되도록 한다.
상기 발전수차(22)는 상하로 공간의 제약을 받는 터빈실(20) 내부에 형성된 상태에서 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 회전축이 수직으로 형성되도록 한다. 상기 발전수차(22)의 회전축 상단은 터빈실(20)의 천정에 베어링(22b)지지 되도록 하며, 상기 베어링(22b)의 하부에는 베벨기어(22c)가 형성되도록 함으로써 후술할 샤프트(32)의 대응되는 베벨기어(33')와 기어결합될 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 실링부를 도시한 단면 사시도이다. 도 2 내지 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 발전수차(22)의 회전축 하단은 수차지지단(26)에 베어링지지 되되, 하부측 베어링(22a)의 경우 하수와 지속적인 접촉이 이루어지는 특성상, 방수를 위해 베어링(22a) 상부에 실링부(23)가 구비되도록 한다. 이 경우 실링부(23)의 형상은 본체부(23b) 상부에 홀(23a)을 갖는 우산형으로 형성되는데, 상기 홀(23a)이 발전수차(22)의 회전축에 삽입된 상태에서 스냅링(23c)에 의해 밀봉 고정되면서, 상기 실링부(23)가 회전축과 함께 회전되도록 함으로써, 하수가 회전축과 베어링(22a) 틈 사이로 유입되는 것이 방지되도록 한다.
상기 수차지지단(26)은 전술한 바와 같이 발전수차(22)의 회전축 하단부를 지지하는 역할을 하며, 터빈실(20)의 양 측벽에 양단이 고정되는 보 형태로 구비된다. 종래 하수관로 말구(100)에 스크린 장치(400) 또는 우수토실(200)이 구비되는 경우에도 작은 크기의 고형물 또는 토사의 유입으로 인해 터빈실(20)의 바닥에 토사와 고형물의 침적이 이루어지곤 하였다. 본 발명에서는 침전물이 발전수차(22)의 회전축 하단부에 침적되어 발전수차(22)의 회전을 방해하는 것을 방지하기 위해, 수차지지단(26)이 상기와 같이 보 형태로 형성되도록 한다.
상기 우오수배수관(28)은 일단이 상기 터빈실(20)의 하부측과 연결되고 타단은 하방구배를 가지며 차집관로(300)에 연결된 상태에서, 발전수차(22)를 회전시키며 낙수하는 하수를 차집관로(300)에 보내는 역할을 한다. 따라서 본 발명에 따른 하수를 이용한 소수력 발전장치는 우오수배수관(28)을 갖는 중공의 터빈실(20)을 구비함으로써 발전수차(22)가 고장으로 정지하는 경우에도 하수의 방류를 방해하지 않으므로 우천시 발전수차(22) 고장으로 인한 우수의 범람을 방지할 수 있다.
상기 동력전달부(30)는 발전수차(22)의 회전 운동에너지를 상기 발전실(40)에 구비된 발전기(42)에 전달하는 역할을 하며, 이를 위해 샤프트(32), 축수용관(38) 및 축지지대(36)로 구성된다.
상기 샤프트(32)는 터빈실(20)과 발전실(40)의 상호 위치에 따라 수평 및 수직의 축결합 형태로 구성되며, 각 결합부위는 베벨기어(33)로 기어결합된다. 다만, 결합부위가 많을수록 동력전달 효율이 저하되므로 결합부위 수가 최소가 되도록 설계되는 것이 바람직하다.
상기 샤프트(32)는 지중에 구비되는 터빈실(20)과 노상에 구비되는 발전실(40) 사이에 구비되는 특성상 상기 축수용관(38) 내부에 구비되며, 샤프트(32)의 지지를 위해 중심에 베어링이 구비된 원판형의 축지지대(36)가 축수용관(38) 내부에 복수 개 구비된다.
상기 발전실(40)은 내부에 발전기(42)와 상기 발전기(42)가 생산한 전력을 외부로 송전하기 위한 부속장치가 구비되며, 상기 발전기(42)의 회전축에 베벨기어(42a)를 구비하며, 상기 베벨기어(42a)가 샤프트(32)의 베벨기어(33")와 기어결합되도록 한다. 본 발명에 따른 하수를 이용한 소수력 발전장치는 발전수차(22)를 포함하는 기계적 구성은 지중에 구비하되, 발전기(42)를 포함하는 전기적 구성은 노상에 구비되도록 함으로써, 우천시 하수관로 말구(100) 주변의 범람으로 발생할 수 있는 누전 사고를 방지할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
100: 하수관로 말구 300: 차집관로
10: 우오수배관부 12: 선회부
20: 터빈실 22: 발전수차
23: 실링부 26: 수차지지단
28: 우오수배수관 30: 동력전달부
32: 샤프트 40: 발전실
42: 발전기

Claims (3)

  1. 하수관로 말구(100)와 차집관로(300) 사이에 구비되는 하수를 이용한 소수력 발전장치에 있어서,
    상기 하수관로 말구(100)에 일단이 고정되는 우오수배관부(10);
    상부에는 상기 우오수배관부(10)의 타단이 관통되고, 하부에는 상기 차집관로(300)와 연결되는 우오수배수관(28)이 구비되며, 내부에는 발전수차(22)가 구비되는 터빈실(20);
    일단이 상기 발전수차(22)의 회전축과 기어결합되는 샤프트(32)를 포함하는 동력전달부(30); 및
    내부에 상기 샤프트(32)와 기어결합되는 발전기(42)가 구비되는 발전실(40);로 구성되며,
    상기 발전수차(22)는 상기 우오수배관부(10)의 배출구에 배치되고, 회전축이 수직으로 구비되며,
    상기 우오수배관부(10)의 하부측 배관은 하수가 우오수배관부(10)의 배출구에서 회전하면서 배출되도록, 하방으로 구배를 갖는 선회부(12)가 형성된 반원형으로 이루어지며,
    상기 발전수차(22)의 회전축은 상기 터빈실(20)의 양 측벽에 양단이 고정되는 수차지지단(26)에 의해 지지되며,
    상기 발전수차(22)의 회전축 하부에는 우산 형태의 실링부(23)가 삽입 고정되어 형성되며,
    상기 우오수배관부(10)의 상단은 스크린 장치(400) 또는 우수토실(200)의 후방에 형성되며,
    상기 우오수배수관(28)은 일단이 상기 터빈실(20)의 하부측과 연결되고 타단은 하방구배를 가지며 차집관로(300)에 연결된 상태에서, 상기 발전수차(22)를 회전시키며 낙수하는 하수를 상기 차집관로(300)로 이동시키며,
    상기 동력전달부(30)의 샤프트(32)는 지중에 구비되는 터빈실(20)과 노상에 구비되는 발전실(40) 사이에 구비된 상태에서, 중심에 베어링이 구비된 원판형의 축지지대(36)에 의해 지지되고, 상기 축지지대는 축수용관 내부에 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
KR1020130083206A 2013-07-15 2013-07-15 하수를 이용한 소수력 발전장치 KR101341860B1 (ko)

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