KR101390608B1 - 유수력을 이용한 수력발전용 수차 - Google Patents

유수력을 이용한 수력발전용 수차 Download PDF

Info

Publication number
KR101390608B1
KR101390608B1 KR1020120127939A KR20120127939A KR101390608B1 KR 101390608 B1 KR101390608 B1 KR 101390608B1 KR 1020120127939 A KR1020120127939 A KR 1020120127939A KR 20120127939 A KR20120127939 A KR 20120127939A KR 101390608 B1 KR101390608 B1 KR 101390608B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bar
rotary
rotating bar
rotation
support
Prior art date
Application number
KR1020120127939A
Other languages
English (en)
Inventor
정헌수
Original Assignee
정헌수
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=50659006&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR101390608(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 정헌수 filed Critical 정헌수
Priority to KR1020120127939A priority Critical patent/KR101390608B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101390608B1 publication Critical patent/KR101390608B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B7/00—Water wheels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

유수지상에 설치되어 유수력을 회전동력으로 전환하여 발전설비에 연결시키는 수력발전용 수차에 있어, 단위 설비당 전력에너지 생산량 및 발전 효율을 극대화시킬 수 있는 수력발전용 수차가 개시된다. 본 발명은 유수지 양측에 설치된 고정구조물에 연결되고, 일측에 발전설비에 연결되는 변속회전체가 고정되어 형성된 회전축; 상기 회전축의 양측 사이에서 상기 회전축 둘레에 일체로 형성된 회전드럼; 일단이 상기 회전드럼의 외주면에 접하여 방사상으로 고정 설치되되, 상기 회전드럼의 회전으로 상기 외주면에 접하는 지점이 받침점이 되도록 설치된 복수의 회전 바(bar); 및 상기 회전 바의 타단에 부착되어 유수 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성된 호형익편;을 포함하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.

Description

유수력을 이용한 수력발전용 수차{WATER WHEEL FOR GENERATING WATER POWER USING RUNNING WATER POWER}
본 발명은 유수력을 이용한 수력발전용 수차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유수지상에 설치되어 흐르는 물의 힘을 회전동력으로 전환하여 발전설비에 연결시키는 수력발전용 수차에 관한 것이다.
종래 수력발전에서는 높은 낙차의 지형이 요구되어 이에 상응하는 지리적 환경을 이용하거나, 인공적인 높은 댐에서의 낙차를 얻기 위한 거대 토목 구조의 구축이 필요하였다.
댐 구축을 통한 수력발전의 경우 미기상 현상으로 야기되는 환경문제, 안개, 기온저하 등으로 인한 생태적 변화, 높은 낙차의 구조적 장벽으로 댐 상류와 하류의 생태적 연결의 차단 현상, 전력 수급이 필요한 도심지와의 원거리로 인한 전력 수송 시설 비용, 대규모 토목공사로 인한 막대한 비용, 넓은 지역의 수몰로 인한 사회적 비용 등 많은 문제점을 안고 있어, 화석 에너지나 원자력 에너지와 달리 인체에 무해한 자연 에너지를 이용한 전력 생산이 가능함에도 불구하고 최근에는 지양되고 있는 실정이다.
한편, 강, 하천 등 약간의 지형적 경사에 따라 흐르는 물의 유수력을 이용한 수력발전 시스템을 고려할 수 있다.
예컨대, 공개특허공보 제2009-0113680호, 공개특허공보 제2010-0086848호, 공개특허공보 제2012-0102555호 등에서는 도 1에 도시된 바와 같은 날개판(13)을 이용한 수차(10)를 개시하고 있고, 등록특허공보 제1001546호에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 조류 등의 수력에 의해 수차부(23)가 회전되면서 회전에너지를 전력에너지로 전환하도록 하는 부유식 수차(20)로서, 수차부(23)가 관절식으로 접철되는 수차날개(23a)를 구비한 수력발전장치를 개시하고 있다.
그러나, 상기 선행문헌들에 개시된 수차(10, 20)는 날개판(13)이나 수차날개가(23a) 회전축(11, 21)에 판 형상으로 직접 고정된 구조로서, 수차(10, 20)의 회전 반경을 크게 하여 많은 양의 전력에너지를 생산하고자 할 경우 날개판(13)이나 수차날개(23a)의 무게의 증가로 그 구조 변형에 한계가 있고, 날개판(13)이나 수차날개(23a)가 회전축(11, 21) 중심에 고정되어 있어 날개판(13)이나 수차날개(23a)에 집중되는 유수력을 회전축(11, 21)에 전달하는 효율이 낮아, 상대적으로 저전력 생산을 위한 소규모 형태로 설계될 수 밖에 없는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 유수지상에 설치되어 유수력을 회전동력으로 전환하여 발전설비에 연결시키는 수력발전용 수차에 있어, 단위 설비당 전력에너지 생산량 및 발전 효율을 극대화시킬 수 있는 수력발전용 수차를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 양태로, 유수지 양측에 설치된 고정구조물에 연결되고, 일측에 발전설비에 연결되는 변속회전체가 고정되어 형성된 회전축; 상기 회전축의 양측 사이에서 상기 회전축 둘레에 일체로 형성된 회전드럼; 일단이 상기 회전드럼의 외주면에 접하여 방사상으로 고정 설치되되, 상기 회전드럼의 회전으로 상기 외주면에 접하는 지점이 받침점이 되도록 설치된 복수의 회전 바(bar); 및 상기 회전 바의 타단에 부착되어 유수 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성된 호형익편;을 포함하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 회전드럼의 반경에 대한 상기 회전 바 길이의 비가 10~100인 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 복수의 회전 바는 일정 간격으로 설치되고, 상기 회전 바 사이에 형성되는 내각이 20~90°인 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 접하는 지점에서 일단이 상기 회전드럼의 면직 방향으로 고정 설치된 제1 지지대; 및 일단이 상기 제1 지지대의 타단에 고정 연결되고 타단이 상기 회전 바를 지지할 수 있는 제2 지지대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 회전 바는 상기 회전드럼의 외주면에 접하는 관형의 제1 회전 바; 상기 제1 회전 바에 삽입될 수 있는 제2 회전 바; 및 상기 제1 회전 바 및 상기 제2 회전 바의 측부에 연결되어 상기 제2 회전 바의 길이를 조절하는 실린더;로 구성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 호형익편은 상기 내곡면의 하부가 상부보다 연장되고, 상기 내곡면 양측에 가이드가 더 형성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 가이드는 하부에 만곡된 돌출부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 양태로, 유수지 양측에 설치된 고정구조물에 연결되고, 일측에 발전설비에 연결되는 변속회전체가 고정되어 형성된 회전축; 상기 회전축의 양측 사이에서 상기 회전축 둘레에 일체로 형성된 회전드럼; 일단이 상기 회전드럼의 외주면에 접하여 방사상으로 고정 설치되되, 상기 회전드럼의 회전으로 상기 외주면에 접하는 지점이 받침점이 되도록 설치된 복수의 상부 회전 바(bar); 일단이 상기 상부 회전 바의 타단에서 조인트로 연결되어 유수력에 의해 상기 상부 회전 바에 대해 일직선으로 펼쳐지고, 상기 회전드럼의 회전에 의한 상승 시 중력에 의해 상기 상부 회전 바에 대해 접혀지는 하부 회전 바; 일단이 상기 상부 회전 바에 고정되고, 타단에 상기 접혀지는 하부 회전 바의 일측을 지지하는 받침판이 형성된 받침대; 및 상기 하부 회전 바의 타단에 부착되어 유수 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성된 호형익편;을 포함하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 받침판의 지지로 형성되는 상기 상부 회전 바 및 상기 하부 회전 바 사이의 내각이 80~140°인 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 받침판의 양측에 설치된 회동축을 중심으로 실린더를 통해 작동되어 상기 하부 회전 바를 고정시키는 클램퍼(clamper)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 접하는 지점에서 일단이 상기 회전드럼의 면직 방향으로 고정 설치된 제3 지지대; 일단이 상기 제3 지지대의 타단에 고정 연결되고 타단이 상기 조인트로 연결된 트러스 형성 바; 및 상기 상부 회전 바와 상기 트러스 형성 바 사이에서 지그재그 형태로 설치된 트러스 심재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 제3 지지대는 상기 트러스 형성 바의 일단으로부터 연장되고, 일단이 상기 제3 지지대의 연장된 끝단에 고정 연결되고 타단이 상기 하부 회전바를 지지할 수 있는 제4 지지대; 및 상기 트러스 형성 바 및 상기 제4 지지대를 연결하는 1 이상의 고정대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
또한, 상기 하부 회전 바는 상기 회전드럼의 외주면에 접하는 관형의 제1 회전 바; 상기 제1 회전 바에 삽입될 수 있는 제2 회전 바; 및 상기 제1 회전 바 및 상기 제2 회전 바의 측부에 연결되어 상기 제2 회전 바의 길이를 조절하는 실린더;로 구성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 제공한다.
본 발명에 따르면, 댐 등의 거대 토목 구조의 구축 없이 유수력을 이용하여 전력에너지를 생산하도록 함으로써 기존 수력발전 시스템에 따른 환경적, 생태적, 비용적 문제를 해결할 수 있는 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 수차 회전축의 회전드럼에 고정된 회전 바의 길이 확장성이 현저하여 수차의 회전 반경을 극대화함으로써 기존 유수력을 이용한 수력발전용 수차 대비 발전용량을 월등히 향상시킬 수 있는 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 회전 바가 회전드럼의 외주면에 접하는 지점이 수차 회전 시 받침점이 되도록 지렛대 원리를 접목시켜 유수력의 익편 및 회전 바를 통한 회전에너지로의 전환 효율을 극적으로 향상시킬 수 있는 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 회전 바 사이에 형성되는 내각을 조절하여 수차 회전 시 유수에 충돌되는 익편을 항시 2개 이상이 되도록 함으로써 유수력에 의한 회전 바의 하중 부담을 분산시켜 안정성이 확보된 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 회전 바의 길이 조절이 가능하도록 설계하여 수위 변화에 따른 수차 운전이 용이한 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 내곡면의 하부가 연장되고 하부에 만곡된 돌출부가 형성된 가이드를 구비한 익편을 사용하여 유수 충격에 의한 유수력 전달을 최대화할 수 있는 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 보다 대형의 수차 설계 시 조인트 및 받침대를 매개로 하부 회전 바가 상부 회전 바로 절첩되도록 하여 회전축의 회전력 상승 효과와 함께 설비 높이를 감소시킬 수 있는 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 하부 회전 바를 고정시키는 클램퍼가 설치되어 수차 운전의 일시 정지가 필요한 경우 유수의 충격으로 인한 간섭을 배제시킬 수 있는 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
또한, 상부 회전 바의 트러스 구조 형태로 변형 및 하부 회전 바를 지지할 수 있는 구조로의 변형 설계가 가능하여, 대형 수차로의 적용 시 회전 바에 미치는 하중 부담을 보다 완화시킬 수 있고, 회전 바의 굵기를 최소화시키면서도 회전력에 의해 회전 바에 미치는 장력을 효과적으로 분산시킬 수 있는 수력발전용 수차를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 날개판을 이용한 수차를 나타낸 사시도,
도 2는 종래 절첩되는 수차날개를 이용한 수차의 사용상태를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 개략적으로 나타낸 측면도,
도 5는 도 3에 따른 수력발전용 수차가 유수지에 설치된 예를 모식적으로 설명한 도면,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 수력발전용 수차에 적용되는 지렛대의 원리를 설명하는 도면,
도 7은 본 발명에서 회전 바 및 호형익편 구조에 따른 유수와의 충돌 관계를 설명하는 모식도,
도 8은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 회전 바 지지대를 개략적으로 설명하는 측면도,
도 9는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 길이 조절이 가능한 회전 바를 개략적으로 설명하는 정면도(a) 및 측면도(b),
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 호형익편의 구조를 개략적으로 설명하는 정면도(a) 및 측면도(b),
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 개략적으로 나타낸 측면도,
도 12는 본 발명의 제2실시예에서 받침대 형성 상태를 개략적으로 나타낸 측면도,
도 13은 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 받침판에 설치된 클램퍼의 작동을 설명하는 측면도(a) 및 상면도(b),
도 14는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상부 회전 바 및 하부 회전 바의 구조를 개략적으로 설명하는 측면도,
도 15는 본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차에서 변속회전체가 단계적으로 연결된 상태를 모식적으로 나타낸 측면도,
도 16은 유수지에서 본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차가 설치되는 예를 모식적으로 도시한 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 일부 과장되게 표현하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였고, 수차의 세부구성 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
제1실시예
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 개략적으로 나타낸 사시도 및 측면도이고, 도 5는 도 3에 따른 수력발전용 수차가 유수지에 설치된 예를 모식적으로 설명한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차(100)는 유수지 양측에 설치된 고정구조물(1)에 연결되고, 일측에 발전설비(2)에 연결되는 변속회전체(111)가 고정되어 형성된 회전축(110); 상기 회전축(110)의 양측 사이에서 상기 회전축(110) 둘레에 일체로 형성된 회전드럼(120); 일단이 상기 회전드럼(120)의 외주면에 접하여 방사상으로 고정 설치되되, 상기 회전드럼(120)의 회전으로 상기 외주면에 접하는 지점(P1)이 받침점이 되도록 설치된 복수의 회전 바(bar)(130); 및 상기 회전 바(130)의 타단에 부착되어 유수(W) 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성된 호형익편(140);을 포함한다.
본 발명의 제1실시예에서 상기 회전축(110)은 유수(W)와의 충돌로 호형익편(140)으로 전달되는 유수력에 의해 발생되는 회전에너지를 발전설비(2)에 전달하는 수차(100)의 중심축으로, 일측에는 변속회전체(111)가 고정 형성되어 상기 회전축(110)의 회전과 동시에 상기 변속회전체(111)가 회전되도록 하며, 상기 변속회전체(111)는 원하는 회전력을 발전설비(2)에 전달하기 위해 피대 등의 동력전달 수단을 이용하여 소정 외경을 갖는 1 이상의 피동 변속회전체에 단계적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 회전축(110)의 양측에는 각각 베어링이 삽입 개재되어 고정구조물(1)에 연결 설치된 상태에서 회전 가능하도록 할 수 있으며, 상기 고정구조물(1)은 그 형상이나 설치방법에 있어 특별히 한정되지 않고, 원하는 회전축 높이에 적합하도록 콘크리트 기둥, 철탑 기둥 등 다양한 재료와 방법으로 설치될 수 있다. 한편, 상기 고정구조물(1)은 유수지의 바닥에 고정 설치될 수 있고, 유수지 양안에 고정 설치될 수도 있으며, 후술하는 구축된 인공 제방에 설치될 수도 있음은 물론이나, 설치 및 보수 작업 등을 고려할 때 유수지 양안이나 인공 제방에 고정 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1실시예에서 상기 회전드럼(120)은 상기 회전 바(130)가 설치되는 부분으로, 상기 회전축(110)의 양측 사이에서 회전축(110) 둘레에 일체로 형성되어 상기 회전 바(130)의 회전력을 상기 회전축(110)으로 전달시키게 된다. 상기 회전드럼(120)은 내부가 꽉 찬 일반적인 형태의 것이 사용될 수 있으나, 수차 자체의 무게 증가에 따른 회전력 저하 방지를 위해 일부 또는 전부를 트러스 형태로 제작하여 사용될 수도 있다. 이러한 회전드럼(120)의 형태는 수차 설계 과정에서 회전드럼(120)의 반경 뿐 아니라, 회전축(110) 반경, 회전 바(110) 길이, 호형익편(140) 크기, 역가, 구성요소들의 재질 등을 종합 고려하여 적절히 선정될 수 있을 것이다. 한편, 상기 회전드럼(120)의 반경은 상기 회전 바(130)의 길이와 함께 호형익편(140)에 충돌되는 유수력의 회전에너지로의 전환 효율을 극대화시키는데 관련되며, 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
본 발명의 제1실시예에서 상기 회전 바(130)는 상기 호형익편(140)을 통해 전달되는 유수력에 의해 상기 회전축(110)을 중심으로 회전되는 부분으로, 상기 회전드럼(120)의 외주면에 일정 간격으로 접하여 방사상으로 고정 설치되어 있다. 이때, 상기 회전 바(130)가 상기 회전드럼(120)에 접하는 지점(P1)은 회전드럼(120)의 회전으로 받침점이 된다. 즉, 본 발명에 따른 수차(100)는 회전 시 지렛대의 원리를 유의적으로 활용한다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 수력발전용 수차에 적용되는 지렛대의 원리를 설명하는 도면이다.
구체적으로 도 6을 참조하면, 유수력이 최초 충돌되는 호형익편(140)의 중심을 힘점(P2)으로, 회전 바(130)가 회전드럼(120)에 접하는 지점을 받침점(P1)으로, 회전드럼(120)의 중심을 작용점(P3)으로 하고, 받침점(P1)과 작용점(P3)의 거리가 되는 회전드럼(120)의 반경(L1)에 대한 힘점(P2)과 받침점(P1)의 거리가 되는 회전 바(130)의 길이(L2)의 비(이하, '역가'라 한다.)를 충분히 크게 함으로써, 유수력에 의한 회전에너지 전환 효율을 극대화할 수 있다.
일반적으로 기존의 유수력을 이용한 수차에서는 그 구조적 한계로 인해 역가(회전체 반경에 대한 수차날개 길이의 비)를 10 이상으로 설계하는 것이 곤란할 뿐더러, 수차날개가 회전축 중심에 고정되어 있어 역가에 상응하는 에너지 전환율을 발휘하기 어려우나, 본 발명에 따르면, 역가를 기본적으로는 10 이상으로 설계할 수 있으며, 최대 100까지도 설계 가능하고, 지렛대 원리가 적용됨으로써 설계된 역가에 상응하는 에너지 전환율을 충분히 발휘할 수 있게 된다. 예컨대, 본 발명의 일 구현예에 따르면 반경(L1) 25㎝인 회전드럼(120)에 대해 길이(L2) 15m인 회전 바(130)를 고정시킬 수 있으며, 이 경우 역가는 60으로 기존 유수력을 이용한 수차에 비교할 수 없을 정도의 회전에너지를 발생시킬 수 있다. 여기서, 종래 대비 월등한 발전용량을 구현하고, 고 역가에 따른 회전 바(130)의 하중 부담, 회전 바(130)의 높이에 따른 설비 구축 범위 등을 고려할 때, 상기 회전드럼(120) 반경(L1)은 10~50㎝ 범위에서, 바람직하게는 20~40㎝ 범위에서 선택할 수 있고, 이때 역가는 100 이하로 설계하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40~80으로, 가장 바람직하게는 50~70으로 설계할 수 있다.
상기 회전 바(130)는 전술한 바와 같이, 설계된 역가에 따른 유수력으로부터의 하중 부담을 견딜 수 있는 정도의 것이라면, 그 재질, 두께 및 형상이 특별히 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 직경 5~15㎝의 스틸, 알루미늄, 두랄루민, SUS 등의 재질로 제작될 수 있다.
여기서, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 회전 바(130)에 미치는 하중 부담을 완화하기 위한 구조적 변형이 가능할 수 있다.
첫째, 상기 회전드럼(120)에 일정 간격으로 고정 설치된 복수의 회전 바(130) 사이에 형성되는 내각(θ1)을 20~90° 범위로 조절하여 수차(100) 회전 시 유수(W)에 충돌되는 익편(140)을 항시 2개 이상이 되도록 함으로써 유수력에 의한 회전 바(130)의 하중 부담을 분산시켜 안정성이 확보되도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명에서 회전 바 및 호형익편 구조에 따른 유수와의 충돌 관계를 설명하는 모식도이다.
도 7을 참조하면, 예컨대, 15m 길이(L2)의 회전 바(130)의 끝단에 1.5m 높이(H)의 호형익편(140)을 고정시키고, 호형익편(140)의 높이(H)만큼 회전 바(130)가 유수(W)에 잠기도록 하는 구현예를 가정할 때, 최소 2개의 익편(140)이 동시에 유수(W)에 충돌되도록 하기 위해 회전 바(130) 사이에 형성되는 내각(θ1)을 최대 50° 정도로 설계할 수 있고, 이 경우 8개 이상의 회전 바(130)를 일정 간격으로 설치함으로써 수차(100) 회전 시 유수(W)에 충돌되는 익편(140)을 항시 2개 이상이 되도록 할 수 있다. 따라서, 회전 바(130)의 길이(L2)를 보다 길게 또는 호형익편(140)의 높이(H)를 보다 짧게 설계할 경우에는 요구되는 최대 내각(θ1)의 크기는 작아지게 되고, 회전 바(130)의 길이(L2)를 보다 짧게 또는 호형익편(140)의 높이(H)를 보다 길게 설계할 경우에는 요구되는 최대 내각(θ1)의 크기는 커지게 된다. 다만, 회전 바(130)의 길이(L2) 및 호형익편(140)의 높이(H)에 따라 요구되는 최대 내각(θ1)이 20° 미만으로 과도하게 작을 경우에는 회전 바(130) 사이의 간섭으로 수차(100) 회전에 오작동이 발생할 우려가 있고, 90°를 초과하여 과도하게 클 경우에는 충분한 역가를 구현하기 어려울 수 있다. 바람직하게는 상기 최대 내각(θ1)이 25~60° 범위가 되도록 설계할 수 있다.
둘째, 상기 회전 바(130)가 상기 회전드럼(120)에 접하는 지점(P1)에서 회전 바(130)를 회전 방향에서 지지하도록 하는 지지대(131)를 설치함으로써 유수력에 의한 회전 바(130)의 하중 부담을 완화시키는 한편, 회전 바(130)의 상승 또는 하강 시 중력이나 가속력에 의한 하중 부담을 완화시켜 안정성이 확보되도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 회전 바 지지대를 개략적으로 설명하는 측면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 회전 바 지지대(131)는 회전 바(130)가 회전드럼(120)에 접하는 지점(P1)에서 일단이 상기 회전드럼(120)의 면직 방향으로 고정 설치된 제1 지지대(131a); 및 일단이 상기 제1 지지대(131a)의 타단에 고정 연결되고 타단이 상기 회전 바(130)를 지지할 수 있는 제2 지지대(131b);를 포함할 수 있다.
상기 제1 지지대(131a)는 일단에서 상기 회전드럼(120)과 일체로 형성될 수 있고, 도시된 바와 같이, 회전드럼(120)에 형성된 홈(121)에 삽입 고정시켜 형성될 수도 있으며, 상기 회전 바(130)는 상기 회전드럼(120)에 접하여 고정되는 동시에 상기 제1 지지대(131a) 일측에 볼트 결합, 용접 등의 접합 수단을 이용하여 고정 설치될 수 있다.
상기 제2 지지대(131b)는 일단이 상기 제1 지지대(131a) 타단에서 일정 각(θ2)을 이루며 일체로 형성되어 고정될 수 있고, 타단은 상기 회전 바(130)를 지지할 수 있되, 회전 바(130)에 항시 고정되는 것은 아니고, 회전 상태에 따라 접촉 또는 이격될 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 해당 회전 바(130)에 부착된 호형익편(140)이 유수(W)에 충돌 시에는 관성에 의해 회전 바(130)로부터 이격되고, 유수력의 영향을 벗어나 회전 바(130)의 상승 시에는 회전 바(130)에 미치는 중력에 의해 회전 바(130)에 접촉되어 지지하게 된다. 또한, 회전 바(130)의 하강 시에는 회전 바(130)에 미치는 가속력에 의해 회전 바(130)에 접촉되어 지지하게 된다.
도 9는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 길이 조절이 가능한 회전 바를 개략적으로 설명하는 정면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 상기 회전 바(130)는 상기 회전드럼(120)의 외주면에 접하는 관형의 제1 회전 바(132); 상기 제1 회전 바(132)에 삽입될 수 있는 제2 회전 바(133); 및 상기 제1 회전 바(132) 및 상기 제2 회전 바(133)의 측부에 연결되어 상기 제2 회전 바(133)의 길이를 조절하는 실린더(134);로 구성되어, 예컨대 도시된 바와 같이, 실린더(134)의 전진 스트로크 시 상기 제2 회전 바(133)가 상기 제1 회전 바(132)로부터 빠지도록 하고(a), 실린더(134)의 후진 스트로크 시에는 삽입되도록 하여(b), 유수의 수위에 따라 익편(140) 높이(위치)를 조절할 수 있도록 한다.
상기 제1 회전 바(132)는 상기 실린더(134)에 의해 상기 제2 회전 바(133)를 삽입시킬 수 있는 관형의 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예컨대, 원통형, 사각통형 등으로 제작될 수 있으며, 상기 제2 회전 바(133)의 하단에는 호형익편(140)이 부착되는 것은 전술한 바와 같다.
상기 실린더(134)는 상기 제1 회전 바(132) 및 제2 회전 바(133)의 일 측부에 연결되어 통상적으로 알려진 방법으로 설치할 수 있으며, 예컨대, 유압 실린더를 사용하는 유압 설비를 통해 원하는 길이의 유압 실린더를 제1 회전 바(132) 및 제2 회전 바(133)에 일직선상으로 부착시키고, 상기 회전드럼(120)상에 유압 스테이션을 설치 및 유압 호스로 연결하여, PLC(programmable logic controller)로 조작되는 공지의 방식을 이용할 수 있다.
본 발명의 제1실시예에서 상기 호형익편(140)은 상기 회전 바(130)의 하단에 부착되어 유수(W)에 충돌되는 부분으로, 유수력에 의한 충돌에너지를 효율적으로 전달하기 위해 유수 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성되어 있다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 호형익편의 구조를 개략적으로 설명하는 정면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 호형익편(140)은 상기 회전 바(130)의 길이를 고려할 때, 그 크기는 폭(L3) 2~10m, 높이(H) 1~3m인 것이 적합하고, 폭(L3) 3~5m, 높이(H) 1~2m인 것이 보다 적합하다. 또한, 유수력에 의한 충돌 시 회전 바(130)와의 부착 안정성을 향상시키기 위해 상기 회전 바(130)로부터 연결되는 보조 바(135)가 더 부착될 수 있다.
여기서, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면 상기 호형익편(140)은 도시된 바와 같이, 상기 내곡면의 하부가 상부보다 연장되고, 상기 내곡면 양측에 가이드(141)가 더 형성될 수 있다. 상기 내곡면의 하부가 상부보다 연장되도록 설계할 경우 상기 호형익편(140)의 입수 및 출수 시에 전달되는 충돌에너지를 보다 크게 할 수 있다. 또한, 상기 내곡면 양측에 가이드(141)를 더 형성시킴으로써 충돌된 유수(W)가 내곡면 양측으로 이탈되는 것을 방지하여 호형익편(140)에 전달되는 충돌에너지를 극대화시킬 수 있으며, 이때, 전달되는 충돌에너지를 더욱 극대화시기 위해 상기 가이드(141) 하부에 만곡된 돌출부(141a)가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
제2실시예
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 11 및 상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차(200)는 유수지 양측에 설치된 고정구조물(1)에 연결되고, 일측에 발전설비(2)에 연결되는 변속회전체(211)가 고정되어 형성된 회전축(210); 상기 회전축(210)의 양측 사이에서 상기 회전축(210) 둘레에 일체로 형성된 회전드럼(220); 일단이 상기 회전드럼(220)의 외주면에 접하여 방사상으로 고정 설치되되, 상기 회전드럼(220)의 회전으로 상기 외주면에 접하는 지점(P1)이 받침점이 되도록 설치된 복수의 상부 회전 바(230a); 일단이 상기 상부 회전 바(230a)의 타단에서 조인트(250)로 연결되어 유수력에 의해 상기 상부 회전 바(230a)에 대해 일직선으로 펼쳐지고, 상기 회전드럼(220)의 회전에 의한 상승 시 중력에 의해 상기 상부 회전 바(230a)에 대해 접혀지는 하부 회전 바(230b); 일단이 상기 상부 회전 바(230a)에 고정되고, 타단에 상기 접혀지는 하부 회전 바(230b)의 일측을 지지하는 받침판(261)이 형성된 받침대(260); 및 상기 하부 회전 바(230b)의 타단에 부착되어 유수(W) 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성된 호형익편(240);을 포함한다. 이하, 제1실시예와 상이한 구성을 중심으로 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차(200)는 제1실시예와 달리 상부 회전 바(230a)와 하부 회전 바(230b)가 조인트(250)로 연결되어 유수(W)에 의한 충돌 이후 하부 회전 바(230b)가 접혀지도록 구성되어 있다. 이러한 본 발명의 제2실시예에 따른 특징은 전체적인 회전 바(230)의 길이를 길게 하여 수차의 회전 반경을 크게 함으로써 상대적으로 대형의 수차에 적용시키고자 할 경우에, 수차(200)의 회전력 상승, 수차(200) 정지 운영 시 유수의 간섭 배제, 수차(200) 상부 보호 시설물 축소 등 다양한 효과를 발휘할 수 있다.
즉, 상기 하부 회전 바(230b)에 의한 유수(W)와의 충돌 시에는 상기 상부 회전 바(230a)에 대해 일직선으로 펼쳐지고, 충돌 이후 상승 시에는 대략 1/2의 길이로 접혀짐으로써 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수차에 적용되는 지렛대의 원리에 따라 회전력이 배가되도록 할 수 있으며, 정비, 수리, 부품 교체 등으로 수차(200) 정지 시에는 후술하는 클램퍼를 이용하여 모든 하부 회전 바(230b)를 접혀진 상태에서 고정되도록 함으로써 유수(W)의 간섭이 배제되도록 할 수 있다.
또한, 수차(200)의 보호를 위해 수차(200) 상부를 덮기 위한 호형의 시설물이 설치될 수 있는데, 상기 하부 회전 바(230b)의 접힘 구조로 시설물의 높이와 반경을 대략 1/4 정도 축소시킬 수 있다.
본 발명의 제2실시예에서 상기 상부 회전 바(230a)의 일단이 상기 회전드럼(220)에 고정 설치된 구성은 전술한 제1실시예에서 설명한 회전 바(130)의 경우와 동일하고, 상기 하부 회전 바(230b)의 타단(하단)에 상기 호형익편(240)이 부착된 구성 역시 상기 제1실시예에서 설명한 바와 동일하나, 상기 상부 회전 바(230a)와 하부 회전 바(230b)는 조인트(250)로 연결되어, 유수(W) 충돌 이후 상기 하부 회전 바(230b)는 상승하면서 조인트(250)를 축으로 유수(W) 방향과 반대 방향으로 접혀지게 된다.
상기 조인트(250)는 양단에서 상기 상부 회전 바(230a)의 하단 및 하부 회전 바(230b)의 상단을 연결하고, 0~180° 범위에서 회동 가능하도록 하는 한 본 발명이 속한 기술분야에서 통용되는 일반적인 것이 사용될 수 있으며, 유수(W) 충돌 시에는 상기 하부 회전 바(230b)가 상부 회전 바(230a)에 대해 180° 각도로 펼쳐지도록 하고, 충돌 이후 중력에 의해 상기 하부 회전 바(230b)가 자연스럽게 접혀지도록 하게 된다.
이때, 유수(W) 충돌 이후 상승하는 하부 회전 바(230b)의 접힘 정도가 과도할 경우에는 상기 상부 회전 바(230a)에 충돌하거나 인접한 다른 하부 회전 바(230b)에 충돌하는 문제가 발생할 수 있고, 상기 하부 회전 바(230b)의 접힘 및 펴짐에 의한 회동력 손실로 수차(200) 전체의 회전력이 감소될 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2실시예에서 받침대 형성 상태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 12를 참조하면, 상기 하부 회전 바(230b)의 접힘 정도를 제한하기 위해, 본 발명의 제2실시예에 따른 수력발전용 수차(200)에서는 일단이 상기 상부 회전 바(230a)에 고정되고, 타단에는 상기 하부 회전 바(230b)가 접혀질 때 하부 회전 바(230b)의 일측을 지지할 수 있는 받침판(261)이 일정 각(θ3)을 유지하도록 고정되어 형성된 받침대(260)가 설치되어 있다.
상기 받침대(260)의 일단은 상기 상부 회전 바(230a)에 고정되어 상기 상부 회전 바(230a)와의 사이에 일정한 내각(θ4)을 형성하게 되고, 수차(200) 회전으로 상기 받침판(261)이 상기 하부 회전 바(230b)의 일측을 지지할 때 상기 상부 회전 바(230a) 및 상기 하부 회전 바(230b) 사이의 내각(θ5)이 형성된다. 이때, 전술한 회전 바(230) 사이의 충돌 문제를 고려하여, 상기 상부 회전 바(230a) 및 상기 하부 회전 바(230b) 사이의 내각(θ5)은 80° 이상이 되도록 설계하는 것이 바람직하고, 전술한 상기 하부 회전 바(230b)의 접힘을 통한 효과 발휘를 위해서는 140° 이하가 되도록 설계하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 내각(θ5)을 100~120° 범위에서, 가장 바람직하게는 105~115° 범위에서 설계할 수 있다.
한편, 상기 하부 회전 바(230b)가 수차(200) 회전으로 상기 받침대(260)에 지지되는 순간의 충격 발생을 방지하기 위해 상기 조인트(250)를 공지의 유압식 조인트(250)로 채용하여 충격을 감소시킬 수 있으며, 이러한 유압식 조인트(250)는 상기 하부 회전 바(230b)의 하강 시에도 중력가속에 의한 하중 부담을 감소시키도록 할 수 있음은 물론이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 받침판에 설치된 클램퍼의 작동을 설명하는 측면도(a) 및 "A"에서 바라본 단면도(b)이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라 상기 받침판(261)의 양측에 설치된 회동축(261a)을 중심으로 실린더(271)를 통해 작동되어 상기 하부 회전 바를 고정시키는 클램퍼(270)가 설치될 수 있다.
상기 클램퍼(270)는 정비, 수리, 부품 교체 등으로 수차(200) 정지 시에 상기 하부 회전 바(230b)가 접혀져 상기 받침판(261)에 지지된 상태에서 상기 하부 회전 바(230b)를 집게와 같이 고정되도록 함으로써, 유수(W)의 간섭을 배제시켜 원활한 작업이 이루어지도록 하는 역할을 하게 된다.
구체적으로, 수차(200)가 정상 운전될 경우에는 실린더(271)가 항시 상방으로 위치함으로써 클램퍼(270)가 벌어진 상태를 유지하도록 하고, 수차(200) 정지 시에는 실린더(271)가 하방으로 이동하면서 클램퍼(270)가 회동축(261a)을 중심으로 오므려져 상기 하부 회전 바(230b)를 고정시키게 된다. 여기서, 상기 실린더(271)는 통상적으로 알려진 방법으로 설치할 수 있으며, 예컨대, 유압 실린더(271)를 사용하는 유압 설비를 통해 상기 회전드럼(220)상에 유압 스테이션을 설치 및 유압 호스로 연결하여, PLC로 조작되는 공지의 방식을 이용할 수 있다. 또한, PLC상에서 상기 실린더(271)의 작동 시기를 상기 상부 회전 바(230a)가 최하단에 위치한 상태를 기준으로 110~130° 범위에서 상승한 때로 미리 설정하여 상부 회전 바(230a)의 고정 및 고정해제를 오동작 없이 원활히 수행되도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에서는 상기 제1실시예의 도 8에서 설명한 바와 같이 상기 상부 회전 바(230a)에 제1 지지대(131a) 및 제2 지지대(131b)가 설치될 수 있으며, 이와 유사하게 본 발명의 제2실시예의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 상부 회전 바(230a) 및 하부 회전 바(230b)에 미치는 하중 부담을 완화하기 위한 또 다른 구조적 변형이 가능할 수 있다.
도 14는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상부 회전 바 및 하부 회전 바의 구조를 개략적으로 설명하는 측면도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 회전 바의 구조는 상기 상부 회전 바(230a)가 상기 회전드럼(220)에 접하는 지점(P1)에서 일단이 상기 회전드럼(220)의 면직 방향으로 고정 설치된 제3 지지대(231a); 일단이 상기 제3 지지대(231a)의 타단에 고정 연결되고 타단이 상기 조인트(250)로 연결된 트러스 형성 바(231c); 및 상기 상부 회전 바(230a)와 상기 트러스 형성 바(231c) 사이에서 지그재그 형태로 설치된 트러스 심재(231d);를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 지지대(231a)는 일단에서 상기 회전드럼(220)과 일체로 형성될 수 있고, 도시된 바와 같이, 회전드럼(220)에 형성된 홈(221)에 삽입 고정시켜 형성될 수도 있으며, 상기 상부 회전 바(230a)는 상기 회전드럼(220)에 접하여 고정되는 동시에 상기 제3 지지대(231a) 일측에 볼트 결합, 용접 등의 접합 수단을 이용하여 고정 설치될 수 있다.
이와 같이, 상기 상부 회전 바(230a)에 제3 지지대(231a), 트러스 형성 바(231c) 및 트러스 심재(231d)를 사용하여 상부 회전 바(230a)의 전체적인 구조를 트러스 구조로 변형시킴으로써, 상부 회전 바(230a) 및 하부 회전 바(230b)에 미치는 하중 부담을 완화시킬 수 있는 것과 동시에, 상부 회전 바(230a)의 굵기를 최소화시키면서도 회전력에 의해 회전 바에 미치는 장력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 하게 된다. 이때, 상대적으로 얇은 굵기의 재료를 이용하여 구비될 수 있는 상부 회전 바(230a)의 트러스 구조는 상대적으로 굵은 굵기의 재료를 이용하여 구비된 비 트러스 구조의 상부 회전 바(230a)에 비해, 동일한 내하중성을 기준으로 소요되는 총 재료의 양을 현저히 감소시킬 수 있어, 구조적 안정 뿐만 아니라 비용 절감 면에서도 효과적이라 할 수 있다.
계속해서 도 14를 참조하면, 본 발명에서 보다 바람직한 구현예에 따라 상기 제3 지지대(231a)는 상기 트러스 형성 바(231c)의 일단으로부터 연장되고, 일단이 상기 제3 지지대(231a)의 연장된 끝단에 고정 연결되고 타단이 상기 하부 회전바(230b)를 지지할 수 있는 제4 지지대(231b); 및 상기 트러스 형성 바(231c) 및 상기 제4 지지대(231b)를 연결하는 1 이상의 고정대(231e);를 더 포함하여, 대형 수차로의 적용 시 회전 바(230a, 230b)에 미치는 하중 부담을 보다 완화시킬 수 있고, 상기 상부 회전 바(230a)의 트러스 구조에 따른 장력 분산을 보다 효과적으로 발휘하도록 할 수 있다.
상기 제4 지지대(231b)는 상기 제1실시예에서와 유사하게 일단이 상기 제3 지지대(231a)의 연장된 끝단에서 일정 각을 이루면 일체로 형성되어 고정될 수 있고, 타단은 상기 하부 회전 바(230b)를 지지할 수 있되, 하부 회전 바(230b)에 항시 고정되는 것은 아니고, 회전 상태에 따라 접촉 또는 이격될 수 있도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제4 지지대(231b)와 상기 트러스 형성 바(231c) 사이의 이격 거리는 상기 트러스 구조의 폭, 즉, 상기 상부 회전 바(230a)와 상기 트러스 형성 바(231c) 사이의 거리보다 짧게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정대(231e)는 상기 트러스 형성 바(231c) 및 상기 제4 지지대(231b)에 고정 연결되어, 상기 제4 지지대(231b) 자체의 안정성을 확보하는 역할을 하게 되며, 상기 제4 지지대(231b)의 길이에 따라 1~5개소, 바람직하게는 2~3개소에 설치될 수 있으며, 도 14에서는 상기 상부 회전 바(230a)의 중간 부분 및 상기 조인트(250) 근방에 설치된 예를 나타내고 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 하부 회전 바(230b)는 상기 회전드럼(220)의 외주면에 접하는 관형의 제1 회전 바(232); 상기 제1 회전 바(232)에 삽입될 수 있는 제2 회전 바(233); 및 상기 제1 회전 바(232) 및 상기 제2 회전 바(233)의 측부에 연결되어 상기 제2 회전 바(233)의 길이를 조절하는 실린더(234);로 구성되어, 유수(W)의 수위에 따라 익편(240) 높이를 조절하도록 할 수 있으며, 구체적인 내용은 제1실시예에서 설명한 바와 같다(도 9 참조).
단계적 변속회전체 연결을 통한 고속 회전 구현예
본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차는 회전 반경이 크면서도 지렛대 효과를 통해 고 역가를 갖는 대형 수력발전 시스템으로 적용될 수 있는데, 유수력에 의해 전달되는 에너지 크기에 비해 수차의 최초 RPM은 작다고 할 수 있다. 이하, 본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차에 대해 변속회전체의 단계적 연결을 통해 고속 회전 구현이 가능한 예를 간략한 시뮬레이션으로 확인해 본다.
도 15는 본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차에서 변속회전체가 단계적으로 연결된 상태를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
도 15에서 변속회전체 A(외경: 350㎝)(311)는 수차의 회전축(310)과 일체로 형성되어 있고, 변속회전체 B(외경: 250㎝)(312)는 제1 보조축(외경: 15㎝)(311a)을 통하여 변속회전체 A(311)에 연결되고, 변속회전체 C(외경: 150㎝)(313)는 제2 보조축(외경: 15㎝)(312a)을 통하여 변속회전체 B(312)에 연결되고, 변속회전체 D(외경: 100㎝)(314)는 제3 보조축(외경: 15㎝)(313a)을 통하여 변속회전체 C(313)에 연결되어 발전설비(2)로 회전에너지를 전달한다.
이때, 외경 50㎝인 회전드럼에 길이 15m인 회전 바가 일정 간격으로 9개 고정되고, 폭 3m, 높이 1.5m인 익편에 1.5m/s 속도의 유수력이 가해진다고 가정할 때, 익편에 미치는 하중은 적어도 1ton 이상이고, 역가가 60(15m/25㎝)이며, 2개 이상의 익편에 동시에 작용하는 것을 감안하면, 변속회전체 A(311)에 미치는 회전하중은 최소 100ton으로 볼 수 있다. 또한, 변속회전체들의 외경으로부터 변속회전체 B(312)에 미치는 회전하중은 최소 70ton, 변속회전체 C(313)에 미치는 회전하중은 최소 40ton, 변속회전체 D(314)에 미치는 회전하중은 최소 25ton 정도로서 발전설비를 구동시킬 수 있을 정도의 충분한 회전력을 전달할 수 있다.
결국, 상기 수차의 규격에서 변속회전체 A(311)의 RPM을 대략 1 정도로 가정하면, 변속회전체 B(312)의 RPM은 약 23, 변속회전체 C(313)의 RPM은 약 390, 변속회전체 D(314)의 RPM은 약 3900으로 고속 회전을 구현함을 확인할 수 있다.
유수지에서의 적용예
이하에서는 본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차가 실제 유수지에 설치될 수 있는 바람직한 적용예를 들어 설명한다.
도 16은 유수지에서 본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차가 설치되는 예를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 유수력을 이용한 수력발전용 수차(400)는 강, 하천 등의 유수지에서 양안을 사이로 설치될 수도 있으나, 도시된 바와 같이, 보다 빠른 유속을 이용하기 위해 집수용 제방(3), 일측의 자연 제방(4)에 나란히 조성된 직선화 제방(5)을 인공적으로 구축하여 형성된 발전 수로(6)에 연속적으로 설치될 수 있다. 물론, 2개의 직선화 제방(5)을 구축하여 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 집수용 제방(3)은 유수지 환경 영향을 최소화하기 위해 일부 유수 구간(7)에는 설치되지 않도록 할 수 있고, 발전 수로(6)의 수량 조절이나 홍수에 따른 수량 증가 시 사용하기 위해 1 이상의 배수용 갑문(3a)을 설치할 수 있다.
본 발명에 따른 각 수차(400)는 상부에 설치된 시설물(8)에 의해 보호될 수 있고, 유수력에 의한 회전동력을 각 발전 설비(2)로 전달함으로써 전력에너지를 생산하도록 하게 된다. 상기 시설물(8)은 수차(400)가 연속적으로 설치되는 경우 2 이상의 수차(400)가 연결 시공된 하나의 시설물에 의해 보호되도록 설치될 수 있으며, 상기 발전 설비(2)가 설치된 구역까지 보호되도록 연장 설치될 수 있음은 물론이다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200, 400: 수력발전용 수차 110, 210: 회전축
111, 211: 변속회전체 120, 220: 회전드럼
121, 221: 홈 130: 회전 바
131: 회전 바 지지대 131a: 제1 지지대
131b: 제2 지지대 132: 제1 회전 바
133: 제2 회전 바 134: 길이 조절 실린더
135: 보조 바 140, 240: 호형익편
141: 가이드 141a: 돌출부
230a: 상부 회전 바 230b: 하부 회전 바
231a: 제3 지지대 231b: 제4 지지대
231c: 트러스 형성 바 231d: 트러스 심재
231e: 고정대 250: 조인트
260: 받침대 261: 받침판
261a: 회동축 270: 클램퍼
271: 클램퍼 실린더 311: 변속회전체 A
311a: 제1 보조축 312: 변속회전체 B
312a: 제2 보조축 313: 변속회전체 C
313a: 제3 보조축 314: 변속회전체 D
P1: 받침점 P2: 힘점
P3: 작용점 L1: 회전드럼 반경
L2: 회전 바 길이 L3: 호형익편 폭
H: 호형익편 높이 W: 유수
θ1: 회전 바 사이 내각
θ2: 제1 지지대 및 제2 지지대 사이 내각
θ3: 받침판 및 받침대 사이 내각
θ4: 받침대 및 상부 회전 바 사이 내각
θ5: 상부 회전 바 및 하부 회전 바 사이 내각
1: 고정구조물 2: 발전설비
3: 집수용 제방 3a: 배수용 갑문
4: 자연 제방 5: 직선화 제방
6: 발전 수로 7: 집수용 제방 미구축 구간
8: 수차 상부 시설물

Claims (13)

  1. 수력발전용 수차에 있어서,
    유수지 양측에 설치된 고정구조물에 연결되고, 일측에 발전설비에 연결되는 변속회전체가 고정되어 형성된 회전축;
    상기 회전축의 양측 사이에서 상기 회전축 둘레에 일체로 형성되고, 중심이 작용점이 되도록 설치된 회전드럼;
    일단이 상기 회전드럼의 외주면에 접하여 방사상으로 고정 설치되되, 상기 회전드럼의 회전으로 상기 외주면에 접하는 지점이 받침점이 되도록 설치된 복수의 회전 바(bar); 및
    상기 회전 바의 타단에 부착되어 유수 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성되고, 중심이 힘점이 되도록 설치된 호형익편;
    을 포함하여,
    상기 호형익편에 충돌하는 유수에 의한 상기 수차의 회전 시 상기 작용점, 상기 받침점 및 상기 힘점에 따른 지렛대 원리가 적용되는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전드럼의 반경에 대한 상기 회전 바 길이의 비가 10~100인 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 회전 바는 일정 간격으로 설치되고, 상기 회전 바 사이에 형성되는 내각이 20~90°인 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접하는 지점에서 일단이 상기 회전드럼의 면직 방향으로 고정 설치된 제1 지지대; 및 일단이 상기 제1 지지대의 타단에 고정 연결되고 타단이 상기 회전 바를 지지할 수 있는 제2 지지대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전 바는 상기 회전드럼의 외주면에 접하는 관형의 제1 회전 바; 상기 제1 회전 바에 삽입될 수 있는 제2 회전 바; 및 상기 제1 회전 바 및 상기 제2 회전 바의 측부에 연결되어 상기 제2 회전 바의 길이를 조절하는 실린더;로 구성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 호형익편은 상기 내곡면의 하부가 상부보다 연장되고, 상기 내곡면 양측에 가이드가 더 형성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가이드는 하부에 만곡된 돌출부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  8. 수력발전용 수차에 있어서,
    유수지 양측에 설치된 고정구조물에 연결되고, 일측에 발전설비에 연결되는 변속회전체가 고정되어 형성된 회전축;
    상기 회전축의 양측 사이에서 상기 회전축 둘레에 일체로 형성되고, 중심이 작용점이 되도록 설치된 회전드럼;
    일단이 상기 회전드럼의 외주면에 접하여 방사상으로 고정 설치되되, 상기 회전드럼의 회전으로 상기 외주면에 접하는 지점이 받침점이 되도록 설치된 복수의 상부 회전 바(bar);
    일단이 상기 상부 회전 바의 타단에서 조인트로 연결되어 유수력에 의해 상기 상부 회전 바에 대해 일직선으로 펼쳐지고, 상기 회전드럼의 회전에 의한 상승 시 중력에 의해 상기 상부 회전 바에 대해 접혀지는 하부 회전 바;
    일단이 상기 상부 회전 바에 고정되고, 타단에 상기 접혀지는 하부 회전 바의 일측을 지지하는 받침판이 형성된 받침대; 및
    상기 하부 회전 바의 타단에 부착되어 유수 방향에 대향하는 방향으로 내곡면이 형성되고, 중심이 힘점이 되도록 설치된 호형익편;
    을 포함하여,
    상기 호형익편에 충돌하는 유수에 의한 상기 수차의 회전 시 상기 작용점, 상기 받침점 및 상기 힘점에 따른 지렛대 원리가 적용되는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 받침판의 지지로 형성되는 상기 상부 회전 바 및 상기 하부 회전 바 사이의 내각이 80~140°인 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 받침판의 양측에 설치된 회동축을 중심으로 실린더를 통해 작동되어 상기 하부 회전 바를 고정시키는 클램퍼(clamper)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 접하는 지점에서 일단이 상기 회전드럼의 면직 방향으로 고정 설치된 제3 지지대; 일단이 상기 제3 지지대의 타단에 고정 연결되고 타단이 상기 조인트로 연결된 트러스 형성 바; 및 상기 상부 회전 바와 상기 트러스 형성 바 사이에서 지그재그 형태로 설치된 트러스 심재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3 지지대는 상기 트러스 형성 바의 일단으로부터 연장되고, 일단이 상기 제3 지지대의 연장된 끝단에 고정 연결되고 타단이 상기 하부 회전바를 지지할 수 있는 제4 지지대; 및 상기 트러스 형성 바 및 상기 제4 지지대를 연결하는 1 이상의 고정대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 하부 회전 바는 상기 회전드럼의 외주면에 접하는 관형의 제1 회전 바; 상기 제1 회전 바에 삽입될 수 있는 제2 회전 바; 및 상기 제1 회전 바 및 상기 제2 회전 바의 측부에 연결되어 상기 제2 회전 바의 길이를 조절하는 실린더;로 구성된 것을 특징으로 하는 유수력을 이용한 수력발전용 수차.
KR1020120127939A 2012-11-13 2012-11-13 유수력을 이용한 수력발전용 수차 KR101390608B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120127939A KR101390608B1 (ko) 2012-11-13 2012-11-13 유수력을 이용한 수력발전용 수차

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120127939A KR101390608B1 (ko) 2012-11-13 2012-11-13 유수력을 이용한 수력발전용 수차

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101390608B1 true KR101390608B1 (ko) 2014-04-29

Family

ID=50659006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120127939A KR101390608B1 (ko) 2012-11-13 2012-11-13 유수력을 이용한 수력발전용 수차

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101390608B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100001305U (ko) * 2008-07-28 2010-02-08 하태관 중력 발전장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100001305U (ko) * 2008-07-28 2010-02-08 하태관 중력 발전장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101608814B1 (ko) 모듈화된 해양 에너지 발전장치
US9086047B2 (en) Renewable energy extraction device
CN101915199B (zh) 三轮高效伸缩折叠式横轴潮流能发电装置
CN206054171U (zh) 模块化双向潮流能发电装置
KR101042700B1 (ko) 수력 발전기
CN101720385B (zh) 水轮机
CN101907054A (zh) 双反向折叠式横轴潮流能水轮机
US20120121414A1 (en) Flow Driven Engine
EP3258098B1 (en) Hydroelectric power generator for river
EP1540172B1 (en) Apparatus with an inclined carrying pillar for anchoring an axial turbine for the production of electric energy from water currents
KR101390608B1 (ko) 유수력을 이용한 수력발전용 수차
CN103758679A (zh) 一种叶片伸缩式潮流能发电装置
JP2019515193A (ja) 潮流発電機
KR101346846B1 (ko) 풍력발전기
CN101135289A (zh) 漂浮式无落差流水发电机
KR101653373B1 (ko) 저수심 수력발전용 듀얼터빈 조립체
EP3315767A1 (en) Modular two-way power generation device using tidal energy
KR20130114557A (ko) 수로를 이용한 소수력 발전장치
KR20140089698A (ko) 하수도 터널식 수력발전
KR101297569B1 (ko) 발전용 러너 장치
JP2018503768A (ja) 自由調節発電装置
KR102488988B1 (ko) 자전하며 공전하는 회전날개를 갖는 수평축회전력생성장치
WO2012127218A2 (en) Turbine apparatus
KR20120041030A (ko) 자체 부력을 갖는 수류 발전장치
CN101871415A (zh) 万能全效发电动力机

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
J202 Request for trial for correction [limitation]
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR CORRECTION REQUESTED 20140514

Effective date: 20140731

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170209

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180420

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190423

Year of fee payment: 6