KR101395475B1

KR101395475B1 - 낙차에 의한 자연방류수를 활용한 소수력 발전장치

Info

Publication number: KR101395475B1
Application number: KR1020130056631A
Authority: KR
Inventors: 강수덕
Original assignee: 윈월드(주)
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-05-14

Abstract

낙차에 의한 자연방류수를 활용한 소수력 발전장치를 개시한다. 개시된 소수력 발전장치는 하면 중심에 중공부가 형성된 원통형 본체; 상기 본체의 상부에 형성되고, 상기 본체의 접선방향으로 형성되며, 하향 경사지게 형성되어, 외부로부터 낙차에 의해 흐르는 자연방류수를 상기 본체의 내부로 유입시켜 상기 본체에 하향선회수류를 형성시키는 유입관; 상기 본체의 하부에 상기 중공부와 연결되도록 형성되는 배출관; 및, 상기 본체의 내부 하면에 설치되어, 상기 본체 내부를 선회하는 상기 선회수류에 의해 회전하여 전기를 생산하는 발전기모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

낙차에 의한 자연방류수를 활용한 소수력 발전장치 {SMALL HYDROELECTRIC POWER GENERATION DEVICE USING DISCHARGE WATER BY WATERFALL}

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낙차에 의해 자연낙하하는 방류수를 활용하는 소수력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 화력발전소 보일러 냉각수, 용광로 로체 냉각수 등은 사용량이 방대하여 해수를 끌여들여 냉각수로 사용한 후, 바다로 다시 방류하는데, 해수면과 공장 설비 사이의 고,저차가 있어, 냉각수는 일정 높이의 낙차를 가지고 중력에 의해 낙하하여 자연방류된다. 아울러, 하수처리장 최종 방류수가 하천 및 바다로 방류될 때, 또는 유수지에서 상수도 정수장으로 방류될 때에도 낙차에 의한 자연방류를 사용한다.

상기와 같이 낙차에 의한 중력에 따라, 자연적으로 흐르는 자연방류수를 이용하는 소수력 발전구조에 대해, 대한민국 등록실용신안 20-0180047호에 개시하고 있다.

하지만, 대한민국 등록실용신안 20-0180047호에 개시된 소수력 발전장치는 하수처리장의 낙하지점에 설치된 경사진 연결수로에 단순히 수력 터어빈을 설치하여, 상기 연결수로를 흐르는 방류수의 흐름에 의해 수력 터어빈이 가동되게 함으로써 발전이 이루어지므로, 발전성능이 높지 않은 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 낙차에 의한 자연방류수를 활용하여 높은 효율의 발전이 이루어질 수 있도록 구조가 개선된 형태의 소수력 발전장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 낙차에 의한 자연방류수를 활용한 소수력 발전장치는 하면 중심에 중공부가 형성된 원통형 본체; 상기 본체의 상부에 형성되고, 상기 본체의 접선방향으로 형성되며, 하향 경사지게 형성되어, 외부로부터 낙차에 의해 흐르는 자연방류수를 상기 본체의 내부로 유입시켜 상기 본체에 하향선회수류를 형성시키는 유입관; 상기 본체의 하부에 상기 중공부와 연결되도록 형성되는 배출관; 및, 상기 본체의 내부 하면에 설치되어, 상기 본체 내부를 선회하는 상기 선회수류에 의해 회전하여 전기를 생산하는 발전기모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유입관은 2개가 설치되며, 서로 대향되게 설치되도록 구성할 수 있다.

상기 유입관은 15도 하향경사지게 형성되도록 구성할 수 있다.

상기 발전기모듈은 상기 중공부와 연통되도록 상기 본체의 하면에 설치되는 연결관; 상기 연결관의 상부에 설치되고, 원형링형상의 판으로 이루어진 하부고정판; 상기 하부고정판의 상부에 이격설치되며, 원형링형상의 판으로 이루어진 상부고정판; 상기 상부고정판과 상기 하부고정판을 연결하도록 설치되되, 상기 하부고정판과 상기 하부고정판의 중심축에 대해 방사상으로 형성되며, 소정곡률로 휘어진 판 형상으로 형성되는 가이드 베인; 상기 상부고정판의 상부에 설치되는 발전기; 상기 발전기의 구동축과 연결되어 상기 발전기의 하부로 돌출되도록 형성되는 회전축; 및, 상기 회전축의 하단에 결합되어, 상기 배출관의 내측 상부에 위치하도록 설치되는 다수의 날개를 갖는 프로펠러형 터빈;을 포함하도록 구성할 수 있다.

상기 발전기모듈은, 상기 하부고정판과 상기 상부고정판을 상기 본체의 하면에 대해 지지하도록 설치되는 보강지지대;를 더 포함하도록 구성할 수 있다.

상기 발전기는 수중 사용이 가능한 영구자석형 발전기로 구성될 수 있다.

상기한 바에 따르면, 본 발명은 일반적인 수력발전방식보다는 적은 양을 갖는 낙차에 의해 흐르는 자연방류수를 이용해 유동속도를 극대화시킨 다음, 터빈을 회전시켜 발전이 이루지게 함으로써, 발전량을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소수력 발전장치의 내부 구성을 분해하여 나타낸 분해사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 소수력 발전장치의 사시도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소수력 발전장치의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 소수력 발전장치의 내부 구성을 확대하여 나타낸 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 소수력 발전장치의 적용예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 낙차에 의한 자연방류수를 활용한 소수력 발전장치(10)에 대해 설명한다.

본 발명의 소수력 발전장치(10)는 본체(110), 유입관(120), 배출관(125), 발전기모듈(200)을 포함한다.

본체(110)는 원통형상으로 형성되고, 상면은 개방되어 상부 개방구(112)가 형성되고, 하면(113)은 중심에 중공부(113aa)가 형성된 평평한 형태의 중앙부(113a)와, 중앙부(113a)의 외측은 곡면형태로 굴곡지게 라운딩처리된 외측부(113b)를 포함하도록 구성된다. 또한, 본체(110)의 상부에는 상부개방구(112)를 덮도록 덮개(118)가 분리가능하게 설치된다.

유입관(120)은 본체(110)의 상부 일측에 설치되고, 약 15정도 하향 경사지게 형성되며, 본체(110)의 외주면에 접선방향으로 설치된다. 따라서, 유입관(120)을 통해 본체(110) 내부로 유입된 자연방류수는 본체(110) 내부에서 하향 선회수류가 형성된다. 본 실시 예에서 유입관(120)은 도 1에서 보는 바와 같이, 2개가 설치되며, 서로 대향되게 설치된다. 이에 따라, 2개의 유입관(120)을 통해 본체(110) 내부로 유입된 자연방류수는 더 강한 선회수류가 형성될 수 있다.

상기에서 본 발명은 유입관(120)이 2개가 설치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 유입관(120)의 수는 필요에 따라 3개 이상으로 설치될 수 있음은 물론이다.

배출관(125)은 본체(110)의 중공부(113aa)와 연통되도록 설치되어, 유입관(120)을 통해 본체(110)로 유입된 물이 배출관(125)을 통해 본체(110)의 외부로 빠져나갈 수 있게 된다.

본 실시 예의 배출관(125)은 상협하광의 콘(cone)형태로 형성되며, 배출관(125)의 끝단에는 확관부(126)가 마련될 수 있다.

발전기모듈(200)은 본체(110)의 내부에 설치되어, 본체(110)로 유입된 자연방류수의 수류에 의해 전기를 생산한다.

구체적으로 본 발명의 발전기모듈(200)은 연결관(205), 하부고정판(211), 상부고정판(213), 가이드 베인(230), 보강지지대(240), 발전기(250), 회전축(260), 터빈(270)을 포함한다.

연결관(205)은 내부에 통로가 형성된 관체로 이루어지고, 연결관(205)의 하단은 본체(110)의 하면(113)의 중앙부(113a)에 고정설치된다. 구체적으로, 연결관(205)의 내경은 중공부(113aa)의 내경과 동일하여, 연결관(205)의 내경과 중공부(113aa)의 내경이 일치하도록 연결관(205)을 중앙부(113a)에 고정설치된다.

이때, 연결관(205)의 하단은 중앙부(113a)에 용접에 의해 결합될 수 있고, 또는 연결관(205)의 하단에 통상의 플랜지가 형성되어 중앙부(113a)와 볼트방식으로 결합될 수도 있다.

하부고정판(211)은 연결관(205)의 내경과 동일한 내경을 갖는 원형 링형상의 판으로 이루어져, 연결관(205)의 상면에 고정설치된다.

상부고정판(213)은 하부고정판(211)과 동일한 형태로 이루어져, 하부고정판(211)의 상부로 이격되게 배치된다.

가이드 베인(230)은 복수개로 이루어지고, 하부고정판(211)과 상부고정판(213)을 연결하도록 설치된다. 가이드 베인(230)의 소정곡률을 갖도록 휘어진 판 형상으로 형성되고, 하부고정판(211)과 상부고정판(213)의 중심축에 대해 방사상으로 형성된다.

가이드 베인(230)은 유입관(120)과 동이한 방향으로 설치된다. 즉, 유입관(120)이 시계반대방향으로 설치되고, 가이드 베인(230)도 시계반대방향으로 설치된다. 이에 따라, 유입관(120)을 통해 본체(110) 내부로 유입되는 자연방류수는 시계반대방향의 하향선회수류가 형성되고, 이후 자연방류수는 가이드 베인(230)에 안내되어 수류의 선회력이 더 강해진 다음, 연결관(205)을 거쳐 배출관(125)을 빠져나간게 되는 것이다.

상기 가이드 베인(230)과 유입관(120)의 설치방향은 본 발명의 소수력 발전장치(10)가 지구 북반구와 남반구 중 어느 곳에 설치되는지에 따라 결정될 수 있다. 즉, 지구 자전의 영향에 따라 북반구에서는 물이 시계반대방향으로 빠지고, 남반구에서는 물이 시계방향으로 빠지므로, 북반구에서는 가이드 베인과(230)과 유입관(120)이 시계반대방향으로 설치되고, 남반구에서는 가이드 베인과(230)과 유입관(120)이 시계방향으로 설치될 수 있다.

보강지지대(240)는 하부고정판(211)과 상부고정판(213)을 본체(110)의 하면(113)에 대해 지지해주는 것으로서, 보강지지대(240)의 하단에는 결합판(243)이 형성되어, 이 결합판(243)이 본체(110)의 하면(113)에 결합됨으로써, 보강지지대가(240)가 본체(110)의 하면(113)에 지지되고, 보강지지대(240)의 측면에는 상하 이격되게 한 쌍의 돌출암(245)이 형성되어, 이 돌출암(245)의 끝단이 하부고정판(211)과 상부고정판(213)에 고정됨으로써, 보강지지대(240)에 의해 하부고정판(211)과 상부고정판(213)이 본체(110)의 하면(113) 상부에 고정지지된다.

발전기(250)는 통상의 수중 사용이 가능한 영구자석형 발전기로 구성되어, 상부고정판(213)의 상부에 설치된다. 이때, 발전기(250)는 하방향을 향하도록 설치된다.

회전축(260)은 발전기(250)로부터 하방향으로 돌출되도록 형성되되, 상부고정판(213)과 하부고정판(211)의 중심을 통과하여 연결관(205)의 내측 하단에 까지 연장 형성된다. 발전기(250)의 구동축과 회전축(260)은 연결되어, 회전축(260)의 회전에 따라 발전기(250)에서 전기가 생산될 수 있다. 아울러, 도 1과 같이, 회전축(260)의 회전을 용이하도록 베어링(B)이 설치된다.

회전축(260)과 발전기(250)의 연결구조는 일반적인 발전기와 회전축의 연결구조와 동일하도록 구성될 수 있음은 물론이다.

터빈(270)은 배출관(125)의 내부에 위치하도록 회전축(260)의 하단에 결합된다. 터빈(270)은 다수의 날개(127)를 갖는 프로펠러형(카플란)으로 구성된다.

이하, 도 3 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 낙차에 의한 자연방류수를 활용한 소수력 발전장치의 동작에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명의 자연방류수를 활용한 소수력 발전장치(10)는 도 5와 같이, 낙차에 의해 자연방류수가 흐르는 경사진 수로(2)의 하측에 설치되되, 경사진 수로(2)와 연결된 튜브(t)가 소수력 발전장치(10)의 유입관(120)에 연결되도록 설계할 수 있다. 도 5와 같은 적용예는 하나의 실시 예일 뿐, 낙차에 의해 자연방류수를 활용하도록 다양한 형태로 구성될 수 있음은 물론이다.

낙차에 의해 자유낙하는 자연방류수가 2개의 유입관(120)을 통해 본체(110) 내로 유입되는데, 이때, 유입관(120)이 본체(110)에 접선방향을 형성되고, 하향경사지게 형성되므로, 자연방류수는 본체(110)로 유입되면서 속도가 빨라지면서 강한 하향선회수류가 형성된다(P1 참조).

이 하향선회수류는 본체(110) 내부의 하측으로 이동하여 가이드 베인(230)에 안내되면서, 속도가 더 상승한 강한 선회수류가 형성된 후(P2 참조), 연결관(205)을 거쳐 배출관(125)을 빠져나간다(P3 참조).

이때, 배출관(125)의 상측 내부에 배치된 터빈(270)이 배출관(125)을 강한 선회속도로 빠져나가는 자연방류수에 의해 고속회전됨으로써, 터빈(270)의 고속회전에 발전기(250)에 전달되어 전기가 생산된다.

이처럼, 본 발명은 낙차로 인해 자연낙하는 방류수를 유입시켜, 고속의 선회수류를 형성시킨 후, 터빈(270)을 회전시켜 발전을 하기 때문에, 발전효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

본 발명은 일반적인 수력발전방식보다는 적은 양을 갖는 낙차에 의한 자연방류수를 이용해 발전을 할 수 있도록 고안되었으며, 이 자연방류수가 본체(110)를 거치면서 속도가 극대화된 후, 터빈(270)을 회전시킴으로써, 발전효율을 향상하여 발전량을 최대화할 수 있다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.

110...본체
112...상부 개방구
113...하면
113a...중앙부
113aa...중공부
113b...외측부
120...유입관
125...배출관
126...확관부
200...발전기모듈
205...연결관
211...하부고정판
213...상부고정판
230...가이드 베인
240...보강지지대
250...발전기
260...회전축
270...터빈
271...터빈의 날개

Claims

하면 중심에 중공부가 형성된 원통형 본체;
상기 본체의 상부에 형성되고, 상기 본체의 접선방향으로 형성되며, 하향 경사지게 형성되어, 외부로부터 낙차에 의해 흐르는 자연방류수를 상기 본체의 내부로 유입시켜 상기 본체에 하향선회수류를 형성시키는 유입관;
상기 본체의 하부에 상기 중공부와 연결되도록 형성되는 배출관;
상기 본체의 내부 하면에 설치되어, 상기 본체 내부를 선회하는 상기 선회수류에 의해 회전하여 전기를 생산하는 발전기모듈;을 포함하고,
상기 발전기모듈은,
상기 중공부와 연통되도록 상기 본체의 하면에 설치되는 연결관;
상기 연결관의 상부에 설치되고, 원형링형상의 판으로 이루어진 하부고정판
상기 하부고정판의 상부에 이격설치되며, 원형링형상의 판으로 이루어진 상부고정판;
상기 상부고정판과 상기 하부고정판을 연결하도록 설치되되, 상기 하부고정판과 상기 하부고정판의 중심축에 대해 방사상으로 형성되며, 소정곡률로 휘어진 판 형상으로 형성되는 가이드 베인;
상기 상부고정판의 상부에 설치되는 발전기;
상기 발전기의 구동축과 연결되어 상기 발전기의 하부로 돌출되도록 형성되는 회전축; 및,
상기 회전축의 하단에 결합되어, 상기 배출관의 내측 상부에 위치하도록 설치되는 다수의 날개를 갖는 프로펠러형 터빈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
제 1 항에 있어서,
상기 유입관은 2개가 설치되며, 서로 대향되게 설치되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
제 1 항에 있어서,
상기 유입관은 15도 하향경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 발전기모듈은,
상기 하부고정판과 상기 상부고정판을 상기 본체의 하면에 대해 지지하도록 설치되는 보강지지대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
제 1 항에 있어서,
상기 발전기는 수중 사용이 가능한 영구자석형 발전기로 이루어진 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.