KR101371156B1 - 와류를 이용한 수력 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원통형 하강 와류관 내부 표면에 나선 형상의 경로를 따라 와류 유도체를 구비함으로써 유도된 와류를 이용한 수력 발전 시스템에 있어서, 물의 밀도를 높이는 첨가제를 혼합하여 물을 모아두는 혼합물 탱크, 상기 혼합물 탱크에서 낙하되는 와류에 따라 회전을 하여 발전을 하는 발전수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 와류를 이용한 수력 발전 시스템에 관한 것이다.

Description

와류를 이용한 수력 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM BY WATER BY USING WATER VORTEX}

본 발명은, 원통형 하강 와류관 내부 표면에 나선 형상의 경로를 따라 와류 유도체를 구비함으로써 유도된 와류를 이용한 수력 발전 시스템에 있어서, 물의 밀도를 높이는 첨가제를 혼합하여 물을 모아두는 혼합물 탱크, 상기 혼합물 탱크에서 낙하되는 와류에 따라 회전을 하여 발전을 하는 발전수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 와류를 이용한 수력 발전 시스템에 관한 것이다.

본 발명은, 상기 하강 와류관에서 낙하된 물이 상승되는 상승 와류관, 와류를 상승시키기 위한 부스터 펌프, 상승 와류를 촉진하기 위하여 폭기하는 폭기수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 와류를 이용한 수력 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 고층 빌딩에서는 생활용수 배관을 설치하고 하단에 승압용 펌프( booster pump)를 이용하여 물을 높은 곳으로 이동시켜 사용하는데, 강한 세기의 펌프를 사용하는 경우에는 가로로 연결된 배관을 추가로 설치하여 중간 중간마다 물이 송출되도록 설비하고 있다.

그런데 이러한 시설에서 물을 중간에 모두 이용하지 않는 경우에는 맨 꼭대기 배관에서 물을 수집 낙하하여 다시 물을 끌어올려 이용하는데, 낙하할 때의 위치에너지를 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다.

한편 저수지, 정수장 등에서는 물 속에 산소를 공급하기 위하여 다양한 방식의 수중 폭기장치를 도입하여 수질을 개선하는 등의 목적에 사용하는데, 예를 들어 산기식(사연댐, 대곡댐), 간헐식(영천댐, 횡성댐), 대류식(용담댐) 등의 폭기장치가 사용되고 있다.

그런데 이러한 폭기장치를 설계변경하여 채용할 수 있다면 물속에 기체를 공급함으로써 물의 상승작용을 도울 수 있다는 점에서 긍정적이라 하겠다.

한편 블레이드를 채용하여 발전을 하는 장치에 대해서 많은 연구가 있어왔는데, 일 예로 대한민국 공개특허공보 10-2009-0120399호에는 조류의 흐름에 의해 회전하는 블레이드를 파이프 내부에 구비하여, 블레이드의 흐름에 의하여 발전이 되는 발전기가 개시되어 있다.

또한 대한민국 등록특허공보 10-0999320호에는 양력 발전기용 양력 블레이드가 회전함으로서 발전하는 장치가 개시되어 있다.

한편 와류(VORTEX)는 강하게 회전하면서 흐르는 유체의 형태를 의미하는데, 이를 산업적으로 이용하기 위하여 많은 노력이 있어왔다.

도 1a, 도 1b는 물의 와류 흐름을 유도하기 위한 종래의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1a의 와류 유도체(100)는 일면이 일정 방향으로 경사지고 표면이 요철 형상을 가짐으로써 물의 흐름을 중심으로 모아서 와류를 유도하는 기능을 수행한다.

또한 도 1b의 와류 유도체(100)는 지느러미 형상을 가짐으로써 물의 흐름을 중심으로 모아서 와류를 유도하는 기능을 수행한다.

도 1c를 참조해보면, 이러한 와류 유도체(100)가 파이프 배관 내 나선 방향의 경로에 배치됨으로써, 물의 흐름이 중심으로 모여지면서 동시에 나선형의 와류가 형성되도록 유도될 수 있다.

본 발명자는 고층 빌딩에서 수집 낙하되는 물의 위치 에너지를 활용하는 수력 발전 시스템에 관한 것으로서, 하강 파이프 배관에서 와류를 형성하여 발전이 가능한 수력 발전 시스템을 착안하였다.

또한 하강 파이프 배관에서 수집된 물을 상승 파이프 배관을 통해 상승시키는 작용을 돕되, 와류 흐름을 유도하는 종래의 구성 및 폭기장치의 기능을 결합하여 물의 상승 작용을 돕고, 이를 하강 파이프 배관에서 와류를 형성하여 발전이 가능한 수력 발전 시스템을 착안하였다.

본 발명은, 고층 빌딩에서 수집 낙하되는 물의 위치 에너지를 활용하되, 하강 파이프 배관에서 와류를 형성하여 발전이 가능한 수력 발전 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은, 상승 파이프 배관을 통해 상승시키는 작용을 돕되, 와류 흐름을 유도하는 종래의 구성 및 폭기장치의 기능을 결합하여 물의 상승 작용을 돕고, 이를 하강 파이프 배관에서 와류를 형성하여 발전이 가능한 수력 발전 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은, 원통형 하강 와류관 내부 표면에 나선 형상의 경로를 따라 와류 유도체를 구비함으로써 유도된 와류를 이용한 수력 발전 시스템에 있어서, 물의 밀도를 높이는 첨가제를 혼합하여 물을 모아두는 혼합물 탱크, 상기 혼합물 탱크에서 낙하되는 와류에 따라 회전을 하여 발전을 하는 발전수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 와류를 이용한 수력 발전 시스템을 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명은, 상기 하강 와류관에서 낙하된 물이 상승되는 상승 와류관, 와류를 상승시키기 위한 부스터 펌프, 상승 와류를 촉진하기 위하여 폭기하는 폭기수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 와류를 이용한 수력 발전 시스템을 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명은, 고층 빌딩에서 수집 낙하되는 물의 위치 에너지를 활용하되, 하강 파이프 배관에서 와류를 형성하여 발전이 가능한 현저한 효과를 보유하고 있다.

본 발명은, 상승 파이프 배관을 통해 상승시키는 작용을 돕되, 와류 흐름을 유도하는 종래의 구성 및 폭기장치의 기능을 결합하여 물의 상승 작용을 돕고, 이를 하강 파이프 배관에서 와류를 형성하여 발전이 가능한 현저한 효과를 보유하고 있다.

도 1a, 도 1b, 도 1c는 물의 와류 흐름을 유도하기 위한 종래의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 와류를 이용한 수력 발전 시스템의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와류를 이용한 수력 발전 시스템의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 와류를 이용한 수력 발전 시스템의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

먼저, 도 2에 따른 실시예는 종래의 고층 빌딩 생활 용수 시스템과 결합되어 사용되어 질 수 있는 예로서, 물의 상승에 대해서는 용수 시스템의 설비를 이용하는 것을 전제로 하고 있다.

혼합물 탱크(500)는 고층 빌딩에서 수집된 물이 모여지는 탱크로서, 물을 그냥 이용할 수도 있으나, 와류 흐름을 더욱 촉진하기 위하여 물속에 첨가제를 투여하여 혼합물로 생성한 후에 모아두는 기능을 수행한다.

바람직하게, 첨가제는 물의 밀도를 높일 수 있는 것을 사용하는데 윤활유 또는/및 점도지수 향상제를 채용할 수 있다.

혼합물 탱크(500)에서 송출되는 물은 하강 파이프 배관(700)의 벽면에 부착된 와류 유도체(100)의 작용으로 와류로 유도된다.

바람직하게, 하강 파이프 배관(700)은 단열 및 압력에 강한 재질을 갖도록 설계되며, 그 두께 및 직경은 본 발명의 시스템에 사용되는 물의 양 및 에너지에 대응하여 설계되며, 형상은 원통형 파이프 구조가 되도록 한다.

하강 파이프 배관(700) 내부에 형성된 와류에 의하여 발전장치(900, 910)가 발전을 하도록 구성하며, 발전장치(900, 910)는 발전장치를 연결하는 내부 배관에 복수 개가 구비되도록 한다.

이 내부 배관 속에는 발전장치(900, 910)가 발전하여 발생한 전력을 송신하거나 발전장치(900, 910)가 외부 전력을 수신할 수 있는 전력송수신관(600)이 구비된다.

바람직하게, 전력송수신관(600)은 파이프 구성을 갖고 그 내부에 전력을 송수신하는 케이블이 구비되도록 구성한다.

발전장치(900, 910)는 블레이드(900) 및 블레이드 몸체(910)를 포함하도록 구성되며, 바람직하게 블레이드(900)는 가동(可動)될 수 있도록 구성함으로써, 물의 양의 변화에 따라 날개가 자동적으로 움직이도록 한다.

즉 와류의 방향이 일부 변화하면 날개 기울기도 자동적으로 조절되도록 함으로써 와류의 흐름을 방해하지 않도록 한다.

설계조건에 따라서는, 종래의 카플란, 프란시스 수차방식을 설계변경하여 채용할 수 있음은 물론이다.

또는 비에른이 개발한 해수력 발전기에 사용된 프로펠러 날개나 영국의 300킬로와트 설비인 시플로(Seaflow) 또는 북아일랜드 스탠퍼드 록에 설치된 1메가와트 설비인 시젠(Seagen) 등에 사용된 프로펠러 날개 등을 설계변경하여 채용할 수 있음은 물론이다.

블레이드 몸체(910)는 블레이드(900)의 회전에 따라 발생된 전력을 일시적으로 축전하거나 또는 바로 전송할 수 있도록 구성된다.

또한 블레이드(900)의 움직임을 활성화하기 위하여 최초에 강제적으로 회전시킬 수 있는 모터 및 전력 수신장치를 구비하도록 구성된다.

설계조건에 따라, 블레이드(900) 및 블레이드 몸체(910)는 다른 형상을 가질 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와류를 이용한 수력 발전 시스템의 주요 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

먼저, 도 2를 이용하여 서술한 부분에 대해서는 서술하지 않거나 간략히 언급하였음을 밝혀둔다.

상승 파이프 배관(600) 및 하강 파이프 배관(700)의 벽면에는 내부에 와류 흐름을 유도하기 위하여, 나선 형상으로 벽면에 와류 유도체(100)가 구비되도록 구성한다.

바람직하게, 상승 파이프 배관(600)은 벤츄리 효과를 이용하기 위하여 위로 갈수록 직경이 작아지도록 설계될 수 있다.

상승 파이프 배관(600) 내부에는 중심관(200)를 준설하고 중심관 말단에는 복수 개의 공기 공급관(300)을 채용하여 상승 와류 흐름을 촉진하는데, 중심관(200)에 가로로 연결하여 준설함으로써 공기를 직접 공급할 수 있도록 한다.

여기에서, 공기 공급관(300) 몸통에는 공기만 공급될 수 있는 미세 구성(미도시)이 구비되거나, 설계조건에 따라 몸통 끝에는 공기만 공급되고 물의 흐름을 방지할 수 있는 장치가 도입될 수 있다.

또한 중심관(200) 상단에는 공기를 공급할 수 있는 펌프(미도시)가 구비됨으로써 공기를 공급한다.

또한 공급되는 공기는 산소 및/또는 수소만을 채용함으로써 와류의 촉진 작용을 보다 심화시킬 수 있도록 설계될 수도 있다.

상승 파이프 배관(600)의 하단부 및 하강 파이프 배관(700)과의 연결부 등에는 부스터 펌프(400)가 1 개 이상 채용되도록 구성한다.

여기에서, 부스터 펌프(400)에 사용할 수 있는 펌프는 설계조건에 따라 다양한 방식이 채용될 수 있음은 물론이다.

동작 관계를 정리하여 보면, 상승 파이프 배관(600) 내부에서 기체가 주입되고 배관 벽면에 와류 유도체(100)가 구비됨으로써 상승 와류가 유도되며, 이 와류는 부스터 펌프(400)에 의하여 상승하게 된다.

상승된 와류는 혼합물 탱크(500)에서 첨가제와 혼합됨으로써 향후 블레이드(900)의 회전을 도울 수 있도록 준비된다.

혼합물 탱크(500)에서 수집하여 낙하되는 물은 첨가제와 혼합된 상태이고 또한 와류 유도체(100)로 인하여 촉진된 와류로 형성된다.

이 와류는 가동되는 날개를 갖는 블레이드(900)의 회전을 일으키게 되고 이 회전력으로 인하여 전력이 생산되어 전력송수신관(800)을 통하여 운용시설(미도시)로 전력이 송신된다.

한편, 상기에서 도 1 내지 도 3을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 도 3의 구성 및 기능에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

100: 와류 유도체
200: 중심관
300: 공기 공급관
400: 부스터펌프
500: 혼합물탱크
600: 상승 파이프 배관
700: 하강 파이프 배관
800: 전력송수신관
900: 블레이드
910: 블레이드몸체

Claims (4)

1. 원통형 하강 와류관 내부 표면에 나선 형상의 경로를 따라 와류 유도체를 구비함으로써 유도된 와류를 이용한 수력 발전 시스템에 있어서,
   물의 밀도를 높이는 첨가제를 혼합하여 물을 모아두는 혼합물 탱크;
   상기 와류의 방향이 변화하면 날개의 기울기가 자동으로 조절되는 블레이드를 포함하며, 상기 혼합물 탱크에서 낙하되는 와류에 따라 회전을 하여 발전을 하는 발전수단;
   상기 하강 와류관에서 낙하된 물이 상승하는 상승 와류관;
   상기 와류를 상승시키기 위한 부스터 펌프; 및
   상기 상승 와류관 내부에 준설되는 중심관, 상기 중심관에 가로로 연결되는 복수 개의 공기공급관을 포함하며, 상승 와류를 촉진하기 위하여 폭기하는 폭기수단;을 포함하되,
   상기 공기공급관은 공기만 공급되고 물의 흐름을 방지하는 것을 특징으로 하는, 와류를 이용한 수력 발전 시스템.
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