KR101455053B1

KR101455053B1 - 소수력 발전장치

Info

Publication number: KR101455053B1
Application number: KR1020140028970A
Authority: KR
Inventors: 신영산
Original assignee: (주)지우이노베이션
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-10-28

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치는, 배관에 삽입되고, 내부에 빈 공간이 형성되는 바디부; 상기 바디부의 내부에 수용되고, 상기 배관에 흐르는 유체의 압력에 의하여 회전하는 회전자; 상기 바디부에 결합되고, 상기 회전자의 둘리를 둘러싸며, 코일을 구비하는 고정자; 상기 회전자에 슬라이드 가능하게 결합되고, 상기 배관을 흐르는 유체의 압력이 변화함에 따라 움직이는 블레이드 변형부;를 포함하고, 상기 회전자는, 회전축과, 상기 회전축 주위에 구비되는 유연한 재질의 블레이드와, 상기 블레이드에 결합되는 자석을 포함하고, 상기 블레이드 변형부는 상기 블레이드와 연결되고, 상기 블레이드 변형부가 움직이면 상기 블레이드가 변형될 수 있다.

Description

소수력 발전장치{SMALL HYDRO POWER GENERATION APPARATUS}

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유연한 재질의 블레이드를 구비함으로써, 유체의 흐름에 따라 변화하는 압력을 받아 유체의 운동에너지를 실생활에 이용 가능한 전기에너지로 변환할 수 있는 소수력 발전장치에 관한 것이다.

화석연료는 현대 사회에서 필수적인 에너지 자원으로 자리잡고 있다. 그러나, 소비할 수 있는 화석 연료의 양은 한정되어 있고, 지구온난화 등의 환경오염을 유발시키는 주요한 원인이 되기 때문에 이를 대체할 수 있는 신재생에너지 자원이 요구된다.

최근에 여러 가지 전기에너지를 생산하는 발전 방법 중 소수력 발전은, 소규모 하천의 물을 유도하여 터빈을 이용해 얻은 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 얻을 수 있고, 지속적인 전력 생산이 가능하다는 장점 때문에 주목을 받고 있다.

소수력 발전장치는 하천뿐만 아니라 건물이나 주택의 배관에 설치될 수 있으며, 이러한 배관에 흐르는 물의 수압에 의하여 터빈을 회전시켜서 전기를 생산할 수 있다.

다만, 종래의 배관에 설치된 소수력 발전장치의 경우, 배관에 흐르는 물의 압력 또는 유속이 변하더라도 이에 능동적으로 대처하지 못한다는 문제가 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0054900호(2012.05.31 공개), "영구자석을 갖는 관성회전모터" 대한민국 공개특허 제10-2013-0037829호(2013.04.17 공개), "반도체 패키지 제조장치용 비전검사장치" 대한민국 공개특허 제10-2013-0107380호(2013.10.02 공개), "관로 일체형 소수력 발전기 및 이를 이용하는 배수관 발전 시스템"

본 발명은 배관에 흐르는 물의 압력 또는 유속이 변하더라도 이에 능동적으로 대처할 수 있는 유체의 운동에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 소수력 발전장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 배관 내부를 흐르는 유체의 압력에 따라 변형이 가능한 블레이드를 구비하여 보다 효율적으로 전기에너지를 생산할 수 있는 소수력 발전장치를 제공하고자 한다.

또한, 상기 바디부의 일 단부에는 적어도 일부가 삽입되는 캡이 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 바디부의 내측에는 볼이 움직일 수 있는 중공부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 중공부에는, 상기 바디부 외부의 공기가 유입될 수 있는 공기 홀이 형성될 수 있다.

또한, 상기 블레이드 변형부는 유체의 압력을 받도록 설치되는 압력판과, 상기 회전축에 슬라이드 가능하게 결합되는 연장부와, 일 단이 상기 연장부에 결합되고, 타 단이 상기 블레이드에 결합되며 탄성변형이 가능한 연결부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 캡의 내측면에는 상기 회전자의 상단에 이물질이 걸리는 것을 막아주는 걸림 방지링이 포함될 수 있다.

본 발명에 의하면, 배관 내부를 흐르는 유체의 압력 또는 유속이 커지는 경우, 블레이드가 이러한 유체의 압력을 더 많이 받을 수 있도록 변형되어 전력 생산량이 더욱 늘어날 수 있다.

또한, 소수력 발전장치의 전단부에 내측이 경사진 경사링을 구비함에 따라, 자석으로 유체가 새어나가는 것을 방지할 수 있고, 유체의 흐름을 증가시키며, 와류 현상을 감소시킬 수 있다.

또한, 소수력 발전장치 외부에서 물이 흐르는 배관으로 공기가 선택적으로 유입될 수 있어 배관 내에 흐르는 물의 흐름을 더 활발하게 할 수 있다.

또한, 전기를 발생시키기 위하여 화석연료를 이용하지 않고 일상 생활에서 발생하는 물의 흐름을 이용하므로, 탄소 배출에 의한 환경 오염을 방지할 수 있어 친환경적이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치 회전자의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치의 압력판과 블레이드 및 연결부를 확대 도시하는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치의 분해사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치(1)는 바디부(10)와, 회전자(20)와, 고정자(30)와, 블레이드 변형부(40)를 포함할 수 있다.

바디부(10)는 배관에 삽입될 수 있고, 바디부(10)의 내부에는 원통형의 빈 공간이 형성될 수 있다.

바디부(10)의 상단 및 하단에는 단턱지게 형성되고, 바디부(10)의 일 단부로 적어도 일부가 삽입될 수 있는 캡(50)이 결합될 수 있다. 캡(50)은 바디부(10)의 상단에 삽입되는 상단 캡(51)과, 바디부(10)의 하단에 삽입되는 하단 캡(52)을 포함할 수 있으며, 상단 캡(51)과 하단 캡(52)의 내측으로 유체가 흐르는 통로가 형성될 수 있다.

상단 캡(51)의 가장자리는 바디부(10)의 일 단부에 형성되는 단턱에 걸릴 수 있고, 자석(23)으로 유체가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상단 캡(51)에는 내측에 경사면이 형성되는 경사링(510)이 결합될 수 있고, 경사링(510)의 내측이 경사지게 형성되어 유체에 작용하는 마찰을 줄일 수 있고, 유체의 흐름을 부드럽게 할 수 있다. 또한, 경사링(510)의 내측이 경사지게 형성됨에 따라, 상기 배관 내부를 흐르던 유체가 소수력 발전장치(1)의 내부로 유입되면서 유체의 흐름이 불규칙해지는 와류 현상을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 상단 캡(51)의 내측면에는 회전자(20)의 상단에 이물질이 걸리는 것을 막아주는 걸림 방지링(511)이 포함될 수 있다. 걸림 방지링(511)은 속이 빈 원통형으로 형성될 수 있고, 상단 캡(51)의 내측에 삽입되어 걸림 방지링(511)의 외주면이 상단 캡(51)의 내주면에 밀착될 수 있다.

바디부(10)의 측면 내부에는 중공부(11)와, 볼(12)과, 공기 홀(13)이 구비될 수 있다.

중공부(11)는 바디부(10)의 측면 내부에 형성되며, 볼(12)이 움직일 수 있는 공간이 형성된다. 볼(12)은 상기 배관을 따라 흐르는 유체의 압력에 따라서 위치가 변화할 수 있다.

중공부(11)에는 바디부(10)의 외부에서 공기가 유입될 수 있는 공기 홀(13)이 형성될 수 있다.

유체의 속도에 따른 압력 변화에 의해 공기 홀(13)이 개폐되는 것은 아래의 베르누이의 원리(Bernoulli's theorem)가 적용될 수 있다.

v를 유체의 속도라 하고, p를 압력이라고 할 때, 위의 수식이 항상 일정한 값(c)을 가지기 위해서는 유체의 속도가 기 설정된 속도 이상으로 흐르면 압력은 낮아지게 되고, 유체의 속도가 기 설정된 속도 이하로 흐르면 압력은 증가하게 된다.

상기 배관을 따라 흐르는 유체가 기 설정된 속도 이상으로 흐르게 되면 바디부(10)의 내부 압력이 바디부(10)의 외부 압력보다 낮아지기 때문에 공기 홀(13)이 개방될 수 있다. 공기홀(13)이 개방되면 바디부(10) 외부에서 바디부(10) 내부로 공기가 유입되어 바디부(10) 내부로 흐르는 공기의 흐름을 더욱 원활하게 할 수 있다.

반대로, 상기 배관을 따라 흐르는 유체가 기 설정된 속도 이하로 흐르게 되면 바디부(10)의 내부 압력이 바디부(10)의 외부 압력보다 높아지므로, 공기 홀(13)을 막아서 바디부(10)의 내부를 흐르는 유체가 바디부(10)의 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

회전자(20)는 바디부(10)의 내부에 구비될 수 있고, 상기 배관의 내부를 흐르는 유체의 압력에 의해 회전할 수 있다. 회전자(20)는 회전축(21)과, 회전축(21)의 주위에 구비되는 블레이드(22)와, 블레이드(22)에 결합되는 자석(23)을 포함할 수 있다.

회전축(21)은 내부가 비어있는 원기둥 형상으로 형성될 수 있고, 회전축(21)의 외주면에 다수 개의 블레이드(22)가 결합될 수 있다.

블레이드(22)는 직사각형 형상의 얇은 판형으로 형성될 수 있고, 유연한 재질로 형성될 수 있다. 블레이드(22)는 바디부(10) 내부에 유체가 흐르면 회전도리 수 있도록 약간 꼬인 형상으로 형성될 수 있다. 일례로, 블레이드(22)는 유체의 압력을 받더라도 원래의 형상으로 되돌아 갈 수 있도록 적어도 형상기억합금, 고무, 또는 합성 플라스틱 수지를 포함하는 재질로 형성될 수 있다.

자석(23)은 영구자석으로 구비될 수 있다. 자석(23)이 영구자석으로 구비됨에 따라 외부로부터 작용하는 자기장의 영향을 잘 받지 않으며, 전력을 공급하지 않더라도 자석(23)의 부근에 자기력이 분포하는 공간을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

바디부(10)와 회전자(20)의 사이에는 베어링 부재(60)가 더 포함될 수 있다. 상기 베어링 부재(60)는 회전자(20)의 상단과 하단에 각각 구비될 수 있다. 상기 베어링 부재(60)가 구비됨에 따라, 상기 배관 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따른 압력 변화에 의해 회전하는 회전자(20)를 바디부(10)의 내부의 소정 위치에 회전 가능하게 설치할 수 있고, 회전자(20)에 걸리는 하중을 지지하면서 회전자(20)가 회전할 수 있도록 지지할 수 있다.

고정자(30)는 바디부(10)의 외측에 결합될 수 있고, 회전자(20)의 주위를 둘러 싸는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 고정자(30)의 외측에는 고정자(30)를 감싸는 케이스가 더 구비될 수 있다.

고정자(30)는 고정자 철심(31)과, 고정자 코일(32)을 포함할 수 있다. 고정자 철심(31)은 얇은 강판이 여러장 겹쳐 있는 형태로 고정될 수 있으며, 고정자 철심(31)의 표면에 고정자 코일(32)을 끼울 수 있는 홈이 형성될 수 있다. 고정자 철심(31)은 고정자 코일(32)을 지지할 수 있고, 회전자(20)의 영구자석의 자극에서 나오는 자력선이 지나가는 통로 역할을 할 수 있다. 고정자 코일(32)은 고정자 철심(31)에 끼워져 전자기 유도현상에 의해 유도기전력이 유기될 수 있다.

회전자(20)가 회전할 때, 고정자(30)의 고정자 철심(31)에는 자석(23)의 회전으로 자기장이 발생될 수 있고, 고정자 코일(32)에 유도 기전력에 의한 유도 전류가 흐를 수 있다.

블레이드 변형부(40)는 회전자(20)에 슬라이드 가능하게 결합될 수 있고, 상기 배관의 내부를 흐르는 유체의 압력이 변화함에 따라 움직일 수 있다. 블레이드 변형부(40)는 압력판(41)과, 연장부(42)와, 연결부(43)로 구성될 수 있다.

압력판(41)은 흐르는 유체의 압력을 받도록 블레이드 변형부(40)의 전단에 구비될 수 있다. 압력판(41)은 반구 형상으로 형성됨에 따라, 압력판(41)에 가해지는 유체의 압력 분포가 모든 방향에서 일정하게 되므로, 블레이드 변형부(40)의 이동이 안정적으로 이루어질 수 있는 효과가 있다.

연장부(42)는 압력판(41)의 밑면 중심부에서 수직으로 연장될 수 있고, 회전축(21)의 내부에 슬라이드 가능하게 결합될 수 있다. 연장부(42)는 회전축(21)의 내부에 수용되므로, 회전축(21)보다 얇은 두께를 갖는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.

연결부(43)는 일 단이 연장부(42)에 결합되며, 타 단은 블레이드(22)에 결합될 수 있고, 탄성 변형이 가능한 재질로 형성될 수 있다. 연결부(43)는 연장부(42)와 블레이드(22)에 결합될 때 적어도 하나 이상의 나사에 의해 고정될 수 있고, 수명이 오래되어 수리 또는 교체가 필요한 경우에 연결부(43)를 쉽게 분리할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치 회전자의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 소수력 발전장치의 압력판과 블레이드 및 연결부를 확대 도시하는 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 회전자(20)의 중심에 회전축(21)이 형성될 수 있고, 회전축(21)의 외주면에 다수 개의 블레이드(22)가 결합될 수 있다.

회전축(21)의 내부에 블레이드 변형부(40)가 수용될 수 있고, 블레이드 변형부(40)는 회전자(20)를 통과하는 유체의 흐름에 따라 움직일 수 있다.

압력판(41)의 상면에 가해지는 유체의 압력이 커지면, 연장부(42)가 바디부(10)의 후방으로 슬라이드 될 수 있고, 연결부(43) 및 블레이드(22)가 변형될 수 있다. 블레이드(22)의 변형에 따라, 블레이드(22)의 각 면이 받는 유체의 압력은 변화될 수 있다. 상세히, 연장부(42)가 바디부(10)의 후방으로 슬라이드 되면 연결부(43)는 휘어져서, 연결부(43)의 형상이 오목하게 변형될 수 있다. 연결부(43)의 형상이 오목하게 변형되면, 블레이드(22)도 하단도 옆으로 휘어져서 블레이드(22)가 휘어지기 전보다 바디부(10) 내부에 흐르는 유체와 부딪히는 면적이 늘어나게 된다. 따라서, 블레이드(22)의 하단이 옆으로 휘어지면 전체적으로 꼬인 형상이 되어, 바디부(10) 내부를 흐르는 유체로부터 더 큰 압력을 받게 되어 결국 회전자(20)가 더 빠르게 회전될 수 있다.

반대로, 압력판(41)에 가해지는 유체의 압력이 작아지면, 연장부(42)가 바디부(10)의 전방으로 슬라이드 될 수 있고, 연결부(43) 및 블레이드(22)가 원래의 형상으로 복원될 수 있다.

블레이드(22)의 외측에는 자석(23)이 구비될 수 있다. 자석(23)은 영구자석으로 구비될 수 있고, 블레이드(22)의 외측에서 원주 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 상기 영구자석은 회전자(20)가 회전하면 동시에 회전이 발생되고, 고정자(30)에는 상기 영구자석의 극성이 연속적으로 변화함에 따라 자기장의 변화를 일으킬 수 있다. 따라서, 고정자(30)의 고정자 코일(30)은 상기 영구자석이 회전함에 따라 자기력을 받아 전기를 발생할 수 있다.

또한, 자석(23)의 외주면에는 고속 회전에 따라 원심력이 발생하여 자석(23)이 회전자(20)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위한 자석 고정장치(미도시)가 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 소수력 발전장치는 회전자(20)의 회전에 따른 자석(23)의 극성 변화에 따라 바디부(10)의 외측에 구비되는 고정자(30)의 고정자 코일(32)이 자기장의 변화에 따른 자기력의 영향을 받아 전자 유도에 의한 유도 전류가 흐를 수 있다. 따라서, 배관 내부를 흐르는 유체가 가지는 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.

본 발명에 따른 소수력 발전장치는, 탄성 변형이 가능한 블레이드(22)와 연결부(43)를 구비할 수 있고, 블레이드 변형부(40)가 유체의 흐름에 따른 압력을 받으면, 연결부(43)가 블레이드(22)를 휘어지게 만들어 블레이드(22)의 단면이 유체의 압력을 받아 회전자(20)가 더 많이 회전할 수 있고, 보다 효율적으로 전기에너지를 생산할 수 있는 장점이 있다.

1: 소수력 발전장치 10: 바디부
11: 중공부 12: 볼
13: 공기 홀 20: 회전자
21: 회전축 22: 블레이드
23: 자석 30: 고정자
31: 고정자 철심 32: 고정자 코일
40: 블레이드 변형부 41: 압력판
42: 연장부 43: 연결부
50: 캡 51: 상단 캡
52: 하단 캡 510: 경사링
511: 걸림 방지링

Claims

삭제
배관에 삽입되고, 내부에 빈 공간이 형성되는 바디부;
상기 바디부의 내부에 수용되고, 상기 배관에 흐르는 유체의 압력에 의하여 회전하는 회전자;
상기 바디부에 결합되고, 상기 회전자의 주위를 둘러싸며, 코일을 구비하는 고정자; 및
상기 회전자에 슬라이드 가능하게 결합되고, 상기 배관을 흐르는 유체의 압력이 변화함에 따라 움직이는 블레이드 변형부;
를 포함하고,
상기 회전자는, 회전축과, 상기 회전축 주위에 구비되는 유연한 재질의 블레이드와, 상기 블레이드에 결합되는 자석을 포함하고,
상기 블레이드 변형부는 상기 블레이드와 연결되고, 상기 블레이드 변형부가 움직이면 상기 블레이드가 변형되고,
상기 바디부의 일 단부는 단턱지게 형성되고, 상기 바디부의 일 단부에는 적어도 일부가 삽입되는 캡을 더 포함하며,
상기 캡은 상단 캡과 하단 캡으로 구비되고, 상기 상단 캡과 상기 하단 캡의 내측에 유체가 흐르는 통로가 형성되는 소수력 발전장치.
제2항에 있어서,
상기 상단 캡의 가장자리는 상기 바디부의 일 단부에 형성된 단턱에 걸리고, 상기 자석으로 유체가 새어나가는 것을 방지하며, 상기 상단 캡에는 경사면이 형성되는 경사링이 결합되고, 상기 경사링의 내측은 경사지게 형성되어 유체의 흐름을 증가시키고 와류 현상을 감소시킬 수 있는 소수력 발전장치.
제2항에 있어서,
상기 상단 캡의 내측면에는 상기 회전자의 상단에 이물질이 걸리는 것을 막아주는 걸림 방지링이 포함되는 소수력 발전장치.
제2항에 있어서,
상기 바디부의 내측에는 볼이 움직일 수 있는 중공부가 형성되고, 상기 배관을 흐르는 유체의 압력에 따라서 움직이는 볼이 수용되는 소수력 발전장치.
제5항에 있어서,
상기 중공부에는, 상기 바디부 외부의 공기가 유입될 수 있는 공기 홀이 형성되고, 상기 배관을 흐르는 유체가 기 설정된 속도 이상이 되면 상기 바디부 내부의 압력이 상기 바디부 외부의 압력보다 낮아져서 상기 공기 홀이 개방되며, 상기 배관을 흐르는 유체가 기 설정된 속도 이하가 되면 상기 볼이 상기 공기홀을 막아서 상기 바디부 내부의 유체가 상기 바디부 외부로 유출되는 것을 방지하는 소수력 발전장치.
배관에 삽입되고, 내부에 빈 공간이 형성되는 바디부;
상기 바디부의 내부에 수용되고, 상기 배관에 흐르는 유체의 압력에 의하여 회전하는 회전자;
상기 바디부에 결합되고, 상기 회전자의 주위를 둘러싸며, 코일을 구비하는 고정자; 및
상기 회전자에 슬라이드 가능하게 결합되고, 상기 배관을 흐르는 유체의 압력이 변화함에 따라 움직이는 블레이드 변형부;
를 포함하고,
상기 회전자는, 회전축과, 상기 회전축 주위에 구비되는 유연한 재질의 블레이드와, 상기 블레이드에 결합되는 자석을 포함하고,
상기 블레이드 변형부는 상기 블레이드와 연결되고, 상기 블레이드 변형부가 움직이면 상기 블레이드가 변형되고,
상기 블레이드 변형부는 유체의 압력을 받도록 전단에 설치되는 압력판과, 상기 회전축에 슬라이드 가능하게 결합되는 연장부와, 일 단이 상기 연장부에 결합되고, 타 단이 상기 블레이드에 결합되며 탄성변형이 가능한 연결부를 포함하는 소수력 발전장치.
제7항에 있어서,
상기 압력판에 가해지는 유체의 압력이 커지면, 상기 연장부가 상기 바디부의 후방으로 슬라이드되고, 상기 연결부 및 상기 블레이드가 변형되며, 상기 블레이드가 받는 유체의 압력이 변하는 소수력 발전장치.
제7항에 있어서,
상기 압력판에 가해지는 유체의 압력이 작아지면, 상기 연결부 및 상기 블레이드가 원래의 형상으로 복원되고, 상기 블레이드 변형부가 상기 바디부의 전방으로 슬라이드되는 소수력 발전장치.