KR101489118B1 - 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강이나 하천, 수처리시설 등의 물이 흐르는 배수로에 설치되는 것으로, 물이 유입되는 원통형의 회전프레임 내측에 길이방향으로 나선형의 무축 임펠러가 일체로 형성되어 발전효율을 높이면서 설치장소를 훼손하지 않고 설치가 간편한 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치에 관한 것이다.
강이나 하천, 수처리시설 등의 배수로에 설치되는 수력발전장치에 있어서, 원통형으로 구비되고 길이방향의 내주면을 따라 나선형 임펠러가 일체로 형성된 회전프레임과, 상기 회전프레임을 지지하면서 회전프레임이 회전운동할 수 있도록 회전안내부재가 설치되는 지지대와, 상기 회전프레임의 일측 둘레에 구비되어 회전프레임의 회전력을 전달하도록 되어 있는 회전력전달수단과, 상기 회전력전달수단의 동력으로 발전이 이루어지도록 한 발전기로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치{Shaftless Screw type Hydroelectric power generation}

본 발명은 강이나 하천, 수처리시설 등의 물이 흐르는 배수로에 설치되는 것으로, 물이 유입되는 원통형의 회전프레임 내측에 길이방향으로 나선형의 무축 임펠러가 일체로 형성되어 발전효율을 높이면서 설치장소를 훼손하지 않고 설치가 간편한 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 수력발전장치는 여러 형태가 있으나 강이나 하천 대부분 5m 이상의 낙차 또는 물의 흐름에 의해 날개 및 버킷 등에 물이 부딪히면서 회전력을 발생하고 이때 발생한 회전력을 이용해 전기에너지로 바꾸는 장치이다.

이러한 수력발전장치의 효율을 높이기 위해서는 수량을 높이고 낙차를 크게 하고 물과 접촉되는 날개의 면적을 넓게 하는 등 설치규모가 커져야 한다. 이렇게 낙차를 크게 하기위해서는 설치장소의 수몰면적이 커지게 되는데 농지나 숲 등을 크게 훼손해야 하는 문제점이 발생한다.

관련 선행기술로는 공개실용신안 2013-0002316호(밀폐형 물레방아 및 이를 이용한 소수력발전장치)에는 회전판의 중심에 설치되는 회전축을 지지하는 보스와, 상기 회전판을 연결하도록 방사상으로 설치되는 복수개의 지지대와, 상기 회전판의 상측에서 상기 회전판과 칸막이에 의해 형성되는 버킷으로 물을 공급하여 상기 회전판이 회전되도록 하는 물공급부로 이루어진 물레방아의 구성에 버킷이 물이 누설되지 않도록 고정커버가 설치되는 구성이 제시되어 있다.

그러나 상기 선행기술은 일반적인 물레방아 형태의 수력발전 장치로, 낙차에 의해 떨어지는 물이 버킷에 운동에너지를 가해 회전시키지만 그 작용에 있어서 버킷에 가해지는 힘은 1회성에 그치기 때문에 물의 에너지를 일부만 활용한 채로 그대로 방류되어 에너지 전환효율이 매우 저조한 문제점이 있다.

또 다른 선행기술로는 등록특허 10-0843752호(소수력발전장치)에는 방수로의 입구 쪽에 설치되어 이물질의 유입을 방지하는 스크린과, 상기 방수로를 흐르는 물이 중앙과 양측으로 구분되어 흐르게 하는 구획판과, 상기 구획판의 전단에 설치되어 물의 흐름을 개폐하는 게이트와, 상기 구획판의 후방에서 방수로에 설치되어 수압으로 회전하고, 발전기를 구동시키는 회전축과 클러치 베어링으로 결합되는 수 개의 수차와, 상기 수차의 전방에 설치되고 물이 수차의 날개를 밀어주어 가속시키는 가이드날개로 이루어져 있다.

상기 선행기술은 낙차를 이용하지 않고 수압에 의해 회전되도록 한 물레방아 형태의 수력발전장치로, 이 기술 역시 흐르는 물이 수차를 밀면서 통과하고 나면 그대로 방류되어 에너지 전환효율이 저조하고 이를 극복하기 위해서는 물이 배출되는 수로상에 다수의 수력발전장치를 설치해야 하는데 설치비용 대비 에너지전환 효율이 저조한 문제점이 있다.

또 다른 선행기술로는 공개특허 2012-0008204호(스크류형상의 수차를 이용한 소수력발전장치)에는 댐 또는 보의 하류측으로 경사지도록 설치된 채널과, 봉 형태의 수차축 외면에 스크류 형태의 수차날개가 형성되고, 상기 채널의 내부에 수납된 수차와, 상기 수차를 채널 내부에 고정하는 고정수단과, 상기 수차의 수차축의 회전과 연결되어 수차의 운동에너지로 전기에너지를 생성하는 발전기로 이루어진 구성이 제시되어 있으나, 이러한 상기 선행기술은 물이 흐르는 채널 내부에 수차축과 발전기와 연결되는 기어부, 베어링 등이 설치되기 때문에 물의 흐름을 방해하여 발전효율을 떨어뜨리고 이물질이 수차날개나 기어부, 베어링 등에 끼일 경우 회전에 지장을 줄뿐만 아니라 부품 수명이 단축되고, 채널 내부로 물고기나 동물이 들어갈 경우 회전하는 수차날개에 부딪혀 수차날개가 파손되거나, 물고기를 포함한 동물들이 죽거나 다치는 등 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 원통형상으로 된 회전프레임 내주면에 길이방향으로 나선형의 임펠러가 일체로 형성됨으로써 유입되는 물이 통과하는 동안 지속적으로 회전을 일으켜 발전효율을 높이는데 목적이 있다.

또한 낙차를 이용하지 않고 물이 흐르는 수로 상에 간편 설치가 가능하여 설치 비용 절감 및 설치장소의 훼손을 방지하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 강이나 하천, 수처리시설 등의 배수로에 설치되는 수력발전장치에 있어서, 원통형으로 구비되고 길이방향의 내주면을 따라 나선형 임펠러가 일체로 형성된 회전프레임과, 상기 회전프레임을 지지하면서 내측에 회전안내부재가 설치되는 지지대와, 상기 회전프레임의 일측 둘레에 구비되어 회전프레임의 회전력을 전달하도록 되어 있는 회전력전달수단과, 상기 회전력전달수단의 동력으로 발전이 이루어지도록 한 발전기로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전프레임의 임펠러 표면에 엠보싱을 다수 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전프레임은 절반으로 분할되어 상부프레임과 하부프레임으로 이루어지고 별도의 체결수단을 통해 서로 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 상하부 프레임의 분할된 단면 부위에 각각 요철(凹凸)형태의 끼움부를 형성하여 서로 끼워지도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전프레임의 체결수단은 상·하부 프레임의 일측에 브라켓이 각각 돌출형성되어 볼트결합되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전프레임의 체결수단은 상·하부 프레임의 일측 둘레에 밴드가이드를 형성하여 결합용밴드에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전안내부재는 지지대의 내측에 복수의 롤러가 설치되어 회전프레임을 지지하면서 회전안내되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전프레임의 롤러와 접촉되는 외주면 둘레에 롤러가이드가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전력전달수단은 회전프레임의 전단부에 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전력전달수단은 기어로 형성되고 발전기와 체인으로 연결되어 동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전력전달수단은 풀리로 형성되고 발전기와 벨트로 연결되어 동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전프레임의 길이방향 일측단에 또 다른 회전프레임이 연장되어 결합될 수 있도록 결합돌기와 결합구멍을 각각 형성하여 끼워질 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 원통형상으로 된 회전프레임 내주면에 길이방향으로 나선형의 임펠러가 일체로 형성됨으로써 물이 흐르는동안 임펠러에 지속적으로 힘이 전달되어 임펠러를 회전시킬 수 있고, 무축{Shaftless}형으로 형성되기 때문에 회전프레임 내부에 회전축이나 별도의 기어부, 베어링 등이 설치되지 않아 물의 흐름을 방해하지 않고 임펠러에만 힘이 전달될 수 있도록 하여 발전효율을 높일 수 있다.

또한 임펠러와 일체형성된 회전프레임을 절반으로 분할 형성하여 서로 결합되도록 함으로써 금형제작이 용이하고 설치 및 점검 수리가 간편한 효과가 있다.

또한 고저 낙차를 이용하지 않고 수로 상에 설치되어 지형지물을 훼손하지 않아 생태계를 보존할 수 있고, 임펠러가 외부로 개방 및 돌출되지 않고 회전프레임 내측에 형성되기 때문에 나뭇가지 등의 이물질에 의한 고장을 방지하고 동물들이 임펠러에 부딪혀 임펠러가 파손되거나 동물들이 다치는 것을 방지하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 수력발전장치를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 수력발전장치의 구성을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 수력발전장치의 구성을 나타낸 전면도.
도 4는 본 발명에 따른 수력발전장치의 체결수단 과 끼움부를 나타낸 확대 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 회전프레임을 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 회전프레임의 구성을 나타낸 분해 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 체결수단의 또 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 수력발전장치의 회전프레임이 연장되게 설치된 상태를 나타낸 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 강이나 하천, 수처리시설 등의 물이 흐르는 배수로(20)에 설치되는 것으로 배수로(20)의 중간 또는 끝 부분에 설치되어 흐르는 물의 유속에 의해 전기를 생산하도록 한 수력발전장치(10)에 관한 것으로서,

도 1 내지 4에 도시한 바와 같이 배수로(20)에 물이 유입될 수 있도록 원통형으로 구비되고 길이방향의 내주면을 따라 나선형 임펠러(130)가 일체로 형성된 회전프레임(100)과, 상기 회전프레임(100)을 지지하면서 내측에 회전안내부재(210)가 설치되는 지지대(200)와, 상기 회전프레임(100)의 일측 둘레에 구비되어 회전프레임(100)의 회전력을 전달하도록 되어 있는 회전력전달수단(300)과, 상기 회전력전달수단(300)의 동력으로 발전이 이루어지도록 한 발전기(400)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

종래의 수력발전장치는 대부분 중앙에 회전축을 두고 그 회전축을 중심으로 수차날개가 다수 형성되어 낙차에 의해 떨어지는 물 또는 흐르는 물이 한쪽 방향으로 수차날개에 힘이 가해져 회전하는 물레방아 형태를 취하고 있는데, 이러한 물레방아 형태의 수력발전장치는 물이 수차날개에 1회적으로 부딪혀 통과하기 때문에 물의 에너지를 극히 일부만 발전하는데에 사용되고 나머지는 수로에 그대로 배출됨으로써 발전효율이 매우 저조하다고 볼 수 있다.

본 발명의 회전프레임(100)은 합성수지 재질의 원통형으로 구성되며 내벽에는 길이방향으로 나선형의 임펠러(130) 즉, 임펠러(130)가 스크류 형상으로 회전프레임(100)과 일체로 형성하여 임펠러(130)와 회전프레임(100)이 함께 회전하는 구성으로서 상기 임펠러(130)는 중앙에 회전축이 없는 무축{Shaftless}형으로 형성된다. 이렇게 형성된 무축 스크류형의 임펠러(130)는 물이 회전프레임(100) 내측으로 흐르는 동안 지속적으로 회전할 수 있을 뿐만 아니라 내부에 축을 형성하지 않아 물의 흐름이 방해받지 않으면서 발전효율을 극대화할 수 있는 것이다.

또한 상기 회전프레임(100)의 임펠러(130)는 표면에 다수의 엠보싱(미도시)이 형성될 경우, 임펠러(130)에 물이 닿는 면적이 넓어질 뿐만 아니라 마찰계수가 높아지게 되면서 임펠러(130)와 회전프레임(100)의 회전력을 더욱 더 높일 수 있다.

아울러 본 발명의 회전프레임(100)은 나선형의 임펠러(130)가 내측에 일체로 형성되기 때문에 이를 한번에 금형으로 제작하기에는 어려움이 있다. 그러므로 상기 회전프레임(100)은 도 5 내지 6에 도시한 바와 같이, 절반으로 분할된 형태의 상부프레임(110)과 하부프레임(120)으로 이루어지고 내부에 형성된 임펠러(130)도 분할되기 때문에 하나로 이어진 형태가 아닌 일정간격으로 끊어진 형태가 되는데, 별도의 체결수단(140)을 통해 서로 결합함으로써 회전프레임(100)은 원통형이 되면서 임펠러(130)도 하나의 무축 스크류 형태로 이어진 모습이 된다.

상기 상·하부 프레임(110,120)은 분할된 단면 부위에 각각 요철(凹凸)형태의 끼움부(150)를 형성되어 서로 끼워지도록 구성되는데, 상기 끼움부(150)를 통해 상·하부 프레임(110,120)의 결합부분이 정확하게 끼워질 수 있도록 하여 체결수단(140)을 통해 결합을 용이하게 하고 외력에 의해 결합위치가 틀어지지 않으면서 임펠러(130)의 형상을 유지할 수 있다.

상기 체결수단(140)은 상·하부 프레임(110,120)이 서로 밀착하여 고정될 수 있도록한 구성이며, 상기 상·하부 프레임(110,120)의 외주면 일측에 브라켓(141)이 각각 돌출 형성하여 볼트결합으로 서로 고정될 수 있도록 한다. 이때 상기 체결수단(140)은 회전프레임(100)의 외부에 형성되기 때문에 반드시 회전 안내작용을 하는 지지대(200)와 결합되는 부분을 제외하고 형성되어야 한다.

상기 체결수단(140)은 브라켓(141)에 의한 나사결합뿐만 아니라, 도 7에 도시한 바와 같이 상·하부 프레임(110,120)의 일측 둘레에 밴드가이드(142)를 돌출형성하여 결합용밴드를 통해 상·하부 프레임(110,120)이 결합용밴드의 강한 조임력으로 고정될 수도 있다.

본 발명의 지지대(200)는 회전프레임(100)이 지지될 수 있도록 일정간격을 두고 적어도 두 군데 이상 설치되며, 하부에는 지면과 고정설치될 수 있도록 지지다리(212)가 형성되어있고, 내부에는 회전프레임(100)이 회전가능하도록 회전안내부재(210)가 설치되어 있고 일측에 발전기(400)가 고정 설치되어 전기를 생산한다.

상기 지지대(200)에 설치되는 회전안내부재(210)는 지지대(200)의 내측에 복수의 롤러가 설치되어 회전프레임(100)의 외주면과 접촉된 상태로 지지하면서 회전될 수 있도록 한다. 이때 상기 회전프레임(100)의 롤러와 접촉되는 외주면 둘레에는 롤러가이드(160)가 구비되는데 상기 롤러가이드(160)는 회전프레임(100)에 일체로 형성하거나 별도로 결합하여 롤러가이드(160)를 따라 롤러가 회전하게 되면서 회전프레임(100)이 지지대(200)와 이탈되지 않도록 잡아줄 수 있기 때문에 배수로(20) 설치시 수평뿐만 아니라 경사지게 설치될 수 있는 것이다.

본 발명의 회전력전달수단(300)은 회전프레임(100)의 일측 둘레 단부에 구비되어 회전프레임(100)의 회전력을 전달하는 구성으로 기어 또는 풀리형태로 구비되어 발전기(400)와 체인 또는 벨트로 연결되어 전기를 생산할 수 있도록 한다. 상기 회전력전달수단(300)은 기어 또는 풀리가 별도로 회전프레임(100)의 둘레에 결합될 수도 있지만 회전프레임(100) 외주면에 일체로 형성할 경우 별도의 회전력전달수단(300)을 조립하는 과정이 생략되어 설치가 간편한 이점이 있다. 아울러 상기 회전력전달 수단이 형성되는 위치는 단부에만 설치되지 않고 회전프레임(100) 둘레의 다른 부분에 더 형성하여 발전할 수도 있다.

또한 본 발명은 회전프레임(100)이 하나만 설치되지 않고 길이방향 후단부에 또 다른 회전프레임(100)이 연장되어 결합될 수 있다. 이때 연장된 또 다른 회전프레임(100)은 결합되는 단부에 각각 결합돌기(171)와 결합구멍(172)을 형성하고 서로 끼워져 함께 회전될 수 있도록 하여 현장의 설치여건에 따라서 작업자는 설치길이를 조절할 수 있어 설치에 제한적이지 않고 발전 효율을 높일 수 있는 것이다.

본 발명은 원통형상으로 된 회전프레임(100) 내주면에 길이방향으로 나선형의 임펠러(130)가 일체로 형성되어 물이 흐르는동안 임펠러(130)에 지속적으로 힘이 전달되어 임펠러(130)를 회전시킬 수 있고, 무축{Shaftless}형으로 형성되기 때문에 회전프레임(100) 내부에 회전축이나 별도의 기어부, 베어링 등이 설치되지 않아 물의 흐름을 방해하지 않고 임펠러(130)에만 힘이 전달될 수 있도록 하여 발전효율을 높일 수 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 권리는 적시된 실시예에 한하지 않고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 변형된 실시예가 있을 수 있다고 본다.

10 : 수력발전장치 20 : 배수로
100 : 회전프레임 110 : 상부프레임
120 : 하부프레임 130 : 임펠러
140 : 체결수단 141 : 브라켓
142 : 밴드가이드 150 : 끼움부
160 : 롤러가이드 171 : 결합돌기
172 : 결합구멍 200 : 지지대
210 : 회전안내부재 212 : 지지다리 300 : 회전력전달수단 400 : 발전기

Claims (12)

1. 강이나 하천, 수처리시설의 배수로(20)에 설치되는 수력발전장치에 있어서,
   원통형으로 구비되고 길이방향의 내주면을 따라 나선형 임펠러(130)가 일체로 형성된 회전프레임(100)과,
   상기 회전프레임(100)을 지지하면서 내측에 회전안내부재(210)가 설치되는 지지대(200)와,
   상기 회전프레임(100)의 일측 둘레에 구비되어 회전프레임(100)의 회전력을 전달하도록 되어 있는 회전력전달수단(300)과,
   상기 회전력전달수단(300)의 동력으로 발전이 이루어지도록 한 발전기(400)로 이루어지되, 상기 회전프레임(100)은 절반으로 분할되어 상부프레임(110)과 하부프레임(120)으로 이루어지고 별도의 체결수단(140)을 통해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치
   
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3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 상·하부 프레임(110,120)의 분할된 단면 부위에 각각 요철(凹凸)형태의 끼움부(150)를 형성하여 서로 끼워지도록 한 것을 특징으로 하는 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 회전프레임(100)의 체결수단(140)은 상·하부 프레임(110,120)의 일측에 브라켓(141)이 각각 돌출형성되어 볼트결합되는 것을 특징으로 하는 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 회전프레임(100)의 체결수단(140)은 상·하부 프레임(110,120)의 일측 둘레에 밴드가이드(142)를 형성하여 결합용밴드에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 회전안내부재(210)는 지지대(200)의 내측에 복수의 롤러가 설치되어 회전프레임(100)을 지지하면서 회전안내되고, 회전프레임(100)의 롤러와 접촉되는 외주면 둘레에 롤러가이드(160)가 구비되는 것을 특징으로 하는 무축 스크류형 임펠러가 형성된 수력발전장치
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
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