KR101567263B1 - 소수력 발전장치 - Google Patents

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E10/30Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로서, 유체의 흐름이 있는 수로(60) 상에 설치하는 하우징(10)과; 상기 하우징(10) 내부에 탈부착 가능케 삽입 설치하는 프레임(20)과; 상기 프레임(20)에 회전 가능케 설치하여 상기 하우징(10)을 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)와; 상기 수차(30)의 회전 속도를 증속시켜 상부의 출력축(402)으로 출력하는 증속기(40)와; 상기 증속기(40)의 출력에 의해 발전하여 전력을 생산하는 발전기(50)를 포함하여 구성함으로써 유체의 흐름을 수차의 회전 방향에 맞게 유도함과 동시에 유체의 유동에 의한 압력이 효과적으로 전해지도록 블레이드의 형상과 배치를 특화함으로써 수차의 회전력과 회전속도를 향상시켜 소수력발전의 효율성을 극대화할 수 있게 효과가 있다.

Description

소수력 발전장치 {Small hydro power plant}
본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 수로를 통과하는 유체의 흐름을 수차의 회전 방향에 맞게 유도함과 동시에 유체의 유동에 의한 압력이 효과적으로 전해지도록 블레이드의 형상과 배치를 특화함으로써 소수력발전의 효율성을 극대화할 수 있게 한 소수력 발전장치에 관한 것이다.
석유나 석탄 등의 화석연료는 산업화된 현대 사회에서 가장 필수적인 에너지 자원으로서 보유량 자체가 나라의 부를 가름할 정도로 매우 중요한 자원이다. 그러나 이러한 화석연료는 산업화가 진행에 따른 소비량의 급증으로 인해 지구온난화와 산성비 등의 환경문제를 야기할 뿐만 아니라, 소비는 증가하는데 반해 화석연료의 매장량은 한정되어 있기 때문에 전 인류는 화석연료의 고갈이라는 문제에 직면해 있다.
연구 결과에 따르면 2000년을 기준으로 화석연료의 채굴 가능 연수는 석유가 40년, 석탄이 160년, 천연가스가 50년 내외로 추정되고 있어, 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지원의 개발이 절실한 실정이다.
그러한 문제점들에 대한 대책으로서 현재 주목받고 있는 것이 재생 가능한 자연에너지이다. 그 중에서 소수력발전은 물의 자연순환을 이용하는 것으로서 이산화탄소 등의 가스 배출이 없기 때문에 온실효과 등에 의한 지구 환경에 대한 부하가 거의 없는 청정한 재생 가능한 에너지이며, 안정적인 전력공급의 확보 및 지구환경보전 등의 관점에서도 앞으로 더욱 계획적으로 개발이 촉진되어야 하는 중요한 자연에너지이다.
소수력발전은 대규모 수력발전과 같은 원리이나 다만 규모의 차이가 있으며, 소규모 하천이나 저수지의 유량과 낙차의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 방식이다.
이러한 소수력발전은, 그 원리적인 측면에서는 일반적인 대규모의 수력발전과 차이가 없으나, 국지적인 지역조건과 조화를 이루도록 비교적 규모가 작고 기술적으로 단순한 수력발전이라고 할 수 있다.
또한, 다른 대체 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있음으로 인해 개발가치가 큰 부존자원으로 평가되어 구미 선진국을 중심으로 기술개발과 개발 지원사업이 경쟁적으로 활발하게 진행되고 있다.
특히, 우리나라의 경우, 자연낙차가 큰 소수력발전 입지가 매우 제한되어 있기 때문에, 현재 가동중인 소수력발전소는 대부분 자연낙차가 크지 않아, 낙차가 작은 저낙차 소수력발전소의 건설에 대한 요구가 증가하고 있다.
한편, 소수력발전은 대규모 수력발전과 비교할 때, 출력 규모가 작은 수력인 것은 당연하지만, 규모에 대한 정확한 정의가 존재하는 것은 아니다. 예를 들면, 유럽소수력발전협회(ESHA)는 출력 규모가 1만㎾ 이하를 소수력발전이라고 하고 있으며, 일본의 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)는 1,000㎾ 이상 1만㎾ 이하의 것을 소수력발전이라 하고, 100~1,000㎾급을 미니 수력, 100㎾ 이하는 마이크로 소수력으로 분류하고 있다. 우리나라에서는 2011년 8월에 제정된 "신재생 에너지 특별 조치법"에서 출력 규모 3만㎾ 이하의 것을 "중소 수력"이라고 칭하고, 3,000㎾ 미만인 경우를 "소수력발전"이라 칭하고 있다.
소수력발전은 일반적으로 물의 낙차를 이용하는 것이지만 비교적 적은 유량으로 작은 낙차를 이용하는 경우가 많기 때문에, 댐을 가지지 않고 하천물을 저수지하지 않고 그대로 이용하는 유입식, 혹은 강 상류에서 보에서 물을 받아 도수로 이 낙차를 얻을 수 곳까지 물을 끌어 발전하는 수로식이 일반적인 발전 방법이 되고 있다.
또한, 원칙적으로 물의 낙차만 있으면 발전 가능하므로, 소규모 하천이나 농업용 수로뿐만 아니라, 상하수도의 시설이나 빌딩 등의 건물 내부에서도 가능하기 때문에 설치시에 혼잡이 거의 필요 없는 상하수도 관련 시설 및 일반 건물 내부의 소수력발전 이용률도 점차 증가하고 있는 실정이다.
또한, 소수력발전은 태양광발전이나 풍력발전과 같은 다른 신재생 에너지 발전과 비교했을 때 (1) 설비 이용률이 60-70% 정도로서 다른 재생 가능 에너지에 의한 발전 방식에 비해 매우 높으며, (2) 출력 변동이 비교적 작기 때문에 계통을 불안정하게 하지 않고, (3) 사전 조사와 공사가 상대적으로 쉬우며, (4) 수력 발전의 기본적인 기술은 이미 성숙하고 있으므로 기술 자체의 불확실성이 낮은 장점을 가지기 때문에 소수력발전의 이용률은 더욱 증가할 것으로 기대된다.
그러나 상기와 같은 소수력발전의 장점에도 불구하고, 소수력발전의 경제성을 극대화시킬 수 있는 새로운 발전장치에 대한 요구가 증가하고 있는데, 특히, 출력 규모가 매우 낮은 마이크로 소수력발전의 경우에는 낙차와 유량의 한계로 인해 상대적으로 낮은 발전효율을 가질 수밖에 없기 때문에 보다 높은 발전 효율을 가지는 마이크로 소수력발전장치에 대한 요구가 높아지고 있다.
등록특허공보 제10-1213565호 등록특허공보 제10-1369522호 등록특허공보 제10-1464078호
소수력발전장치는 물의 유동에너지를 동력을 변환하기 위하여 가장 기본적으로 수차를 이용하게 되는데, 수차의 회전속도나 회전력이 소수력발전의 효율성을 좌우하기 때문에 소수력발전장치에 있어서 수차는 가중 중요한 부분이라 할 수 있다.
소수력발전에서 사용하는 수차는 충동식수차와, 반동식수차로 구분된다.
충동식수차는 펠톤(Pelton)수차, 튜고(turgo)수차, 오스버그(Ossberger)수차 등이 있는데, 이러한 충동식수차는 수차가 물에 완전히 잠기지 않고, 물이 수차의 일부 방향에서만 공급되며, 물의 운동에너지만을 전환하여 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 반동식수차는 프란시스(Francis)수차, 튜브라(Tubular)수차,벌브(Bulb)수차, 림(Rim)수차 등이 있는데 이러한 반동식수차는 수차의 원주방향에서 물이 공급되는 구조이기 때문에 설치에 많은 제약이 있는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 갈수시 소수력발전 용량의 급격한 저하와, 저수 및 도수로 인한 문제와, 홍수시 부유물질로 인한 수차의 파손이 발생하는 등 여러 가지 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래의 소수력발전장치의 수차에 관한 문제점을 개선하기 위하여 다양한 기술이 개발되었다.
일 예로서, 2012년에 우리나라에서 특허 등록된 등록특허 제10-1213565호의 "스크루형상의 수차를 이용한 소수력발전장치"는 종래의 소수력발전 장치의 문제점을 해소하기 위하여 댐 또는 보의 하류 측으로 경사지도록 설치된 채널(210);과, 봉 형태이고, 채널(210)을 따라 흐르는 물에 대해 미리 결정된 부력을 지니도록 중공형태로 성형된 수차축(101) 외면에 스크루 형태의 수차날개(102)가 형성되고, 상기 채널(210)의 내부에 수납된 수차(100);와, 수차축(101)이 내부에서 회전 가능하도록 수납된 파이프 형태의 수차고정대(103), 상기 수차고정대(103)와 수차축(101) 사이에 설치된 베어링, 상기 수차고정대(103)의 양측에 돌출되어 채널에 한지 결합된 지지봉(104)으로 구성되어 상기 수차(100)를 채널(210) 내부에 고정하는 고정수단과; 상기 채널(210)에 형성되어 수차의 수차날개(102)가 채널(210) 바닥에 접촉하지 않도록 수차축(101)을 지지하는 지지대(211); 상기 수차(100)의 수차축(101)의 회전과 연결되어 수차의 운동에너지로 전기에너지를 생성하도록 수차축(101)과 베벨기어 또는 유니버셜 조인트로 연결된 발전기(202);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하고 있다.
그러나 상기의 등록특허 제10-1213565호의 "스크루 형상의 수차를 이용한 소수력발전장치"는 수차가 가지는 형상으로 인하여 수차의 하중이 증가하고, 물이 흐르는 가정에서 저항이 증가하여 유체량이 감소할 경우에는 수차의 회전 속도가 현저히 떨어짐으로써 발전 효율성이 낮은 문제점이 있었다.
또 다른 예로서 2014년에 우리나라에 특허 등록된 등록특허 제10-1369522호의 "고효율 소수력발전장치"는 종래의 소수력발전 장치의 문제점을 해소하기 위하여 유체가 통과하는 유로 상에서 설치된 터빈 및 상기 터빈의 회전에 따라 발전하는 발전기를 포함하고, 상기 터빈은 본체, 상기 본체의 외측에 각도조절가능하게 설치된 복수의 날개, 상기 복수의 날개 측에 개별적으로 연결된 복수의 날개 회전축을 구비하며, 각 날개 회전축의 일단에는 각 날개가 결합되고, 각 날개 회전축의 타단에는 날개 회전축을 회전시키는 액추에이터가 연결되며, 상기 액추에이터에는 제어부가 전기적으로 접속되고, 상기 제어부는 상기 유로를 통과하는 유체의 유량 변동에 대응하여 상기 액추에이터의 구동을 제어함으로써 날개의 각도를 가변하고, 상기 유로 상에는 상기 유체의 유량 변동을 감지하는 유량감지부가 설치되고, 상기 유량감지부는 상기 제어부에 전기적으로 접속되며, 상기 제어부는 y = 48x + 3(여기서, y는 날개의 각도, x는 유량)의 실험식에 따라 유량 변동에 대응하여 날개의 각도를 가변하고, 상기 날개의 각도(y)는 5~30°범위 내에서 가변되는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나 상기의 등록특허 제10-1369522호의 "고효율 소수력발전장치" 역시 터빈의 날개 각도(피치)를 가변하기 위한 장치를 터빈에 구비함으로써 터빈의 하중이 크게 증가하기 때문에 유속이 낮고, 수로를 통과하는 유체량이 적은 경우에는 터빈이 원활하게 회전하여 못하여 안정적인 발전이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
본 발명의 소수력 발전장치는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로서, 유체의 흐름이 있는 수로(60) 상에 설치하는 하우징(10)과; 상기 하우징(10) 내부에 탈부착 가능케 삽입 설치하는 프레임(20)과; 상기 프레임(20)에 베어링(201)으로 지지되게 설치하여 상기 하우징(10)을 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)와; 상기 수차(30)의 상부에 입력축(401)을 삽입 설치하여 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)의 회전 속도를 증속시켜 상부의 출력축(402)으로 출력하는 증속기(40)와; 상기 증속기(40)의 출력축(402)과 연결되게 설치되어 출력축(402)의 회전에 의해 발전하여 전력을 생산하는 발전기(50)를 포함하여 구성함으로써 유체의 흐름을 수차의 회전 방향에 맞게 유도함과 동시에 유체의 유동에 의한 압력이 효과적으로 전해지도록 블레이드의 형상과 배치를 특화함으로써 수차의 회전력과 회전속도를 향상시켜 소수력발전의 효율성을 극대화할 수 있게 한 목적을 달성할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 소수력 발전장치는 수로에 설치되는 하우징을 이용하여 유체의 흐름을 수차의 회전방향 블레이드 쪽으로 유도함과 동시에 유체의 유동에 의한 압력이 효과적으로 전해지도록 블레이드의 형상과 배치를 특화함으로써 수차의 회전력은 배가시키고, 블레이드에 가해지는 유체의 유동에 의한 저항을 최소화하여 수차의 회전에 따른 유속의 감소를 최소화함으로써 수차의 회전속도를 증가시킬 수 있게 하여 소수력발전의 효율성을 극대화할 수 있고, 소규모에도 불구하고 탁월한 발전 효율성으로 인하여 소규모 하천이나 공업용 수로, 농업용 수로, 양어장 수로, 상하수도 시설, 각종 건축물의 배수로 등 다양한 곳에서 광범위하게 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 소수력 발전장치의 실시 예에 따른 정면도.
도 2는 본 발명의 소수력 발전장치의 실시 예에 따른 측면도.
도 3은 본 발명의 소수력 발전장치의 실시 예에 따른 평면도.
도 4는 본 발명의 소수력 발전장치의 실시 예에 따른 증속기와 수차 연결부 단면도.
도 5는 본 발명의 소수력 발전장치의 실시 예에 따른 수차 사시도.
도 6은 본 발명의 소수력 발전장치의 실시 예에 따른 수차 평면 단면도.
도 7은 본 발명의 소수력 발전장치의 또 다른 실시 예에 따른 수차 평면 단면도.
이하, 본 발명의 소수력 발전장치의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부 도면에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 소수력 발전장치는 유체의 흐름이 있는 수로(60) 상에 설치하는 하우징(10)과; 상기 하우징(10) 내부에 탈부착 가능케 삽입 설치하는 프레임(20)과; 상기 프레임(20)에 회전 가능케 설치하여 상기 하우징(10)을 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)와; 상기 수차(30)의 회전 속도를 증속시켜 상부의 출력축(402)으로 출력하는 증속기(40)와; 상기 증속기(40)의 출력에 의해 발전하여 전력을 생산하는 발전기(50)를 포함한다.
상기 하우징(10)은 유체의 흐름이 있는 수로(60) 상에 견고하게 설치하기 위하여 콘크리트 블록을 이용하여 중량체로 제작하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 수로(60)에 연결 설치된 상태에서 수로(60)를 흐르는 유체의 유속이나 유량에도 요동 없이 견고한 설치 상태를 유지할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
상기 하우징(10)은 수로(60)를 따라서 흐르는 유체의 원활한 흐름을 유지하면서 효율적인 발전이 가능하도록 하우징(10)의 가운데 부분에 수로(60)의 유체 흐름 방향과 동일한 방향으로 유로(101)를 형성하되, 수로(60)의 상류 쪽에 형성하는 유로(101)의 유입구(101a)는 전광후협 형태로 형성한다.
즉, 상기 유입구(101a)는 수로(60)와 접하는 부분의 폭과 높이는 수로(60)의 폭, 높이와 동일하게 형성하되, 하우징(10) 내측으로 갈수록 폭은 좁아지게 하여 하우징(10) 내부로 유입되는 유속을 증가시킨다.
또한, 상기 유츌구(101b)는 하류쪽 수로(60)와 같은 폭과 높이로 형성하여, 하우징(10)의 유로(101)를 통과하는 유체의 흐름저항을 완화함으로써 유속의 감속을 최소화할 수 있게 한다.
또한, 상기 유입구(101a)와 유출구(101b) 사이에는 상기 프레임(20)이 삽입 설치되는 수용부(102)를 형성하되, 상기 수용부(102)의 전후에는 걸림벽(102a)을 형성하여 수용부(102)에 삽입 설치된 프레임(20)의 요동을 방지하게 한다.
상기 프레임(20)은 상기 수차(30)와 증속기(40), 발전기(50)를 견고하게 지지하기 위하여 가볍고 견고하면서도, 물에 의한 부식을 방지하는 스테인리스 스틸로 된 각봉을 용접하여 제작하는 것이 바람직하다.
상기 프레임(20)은 상기 하우징(10)의 수용부(102) 평면 단면 형상과 일치하도록 형성함으로써 별도의 고정 수단 없이도 상기 수용부(102) 내에 간편하게 삽입 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 프레임(20)에 설치되는 수차(30), 증속기(40), 발전기(50) 등의 유지 보수를 위한 하우징(10) 과의 분리가 신속, 간편하게 이루어질 수 있게 한다.
상기 수차(30)는 상기 프레임(20)에 설치된 베어링(201)에 의해 지지되어 상기 하우징(10)을 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하도록, 상기 프레임(20)에 한 쌍을 세로 방향으로 세워서 대칭으로 설치하고, 상기 하우징(10)의 유입구(101a)가 상기 한 쌍의 수차(30) 사이에 위치하게 하여, 상기 하우징(10)의 유로(101)를 통과하는 유체의 흐름에 의해 한 쌍의 수차(30)가 서로 반대 방향으로 회전하게 한다.
상기 수차(30)의 원활한 회전을 위하여 상기 프레임(20)에 설치되어 수차(30)의 회전축(301)을 지지하는 상기 베어링(201)은 물에 의한 부식을 방지할 수 있는 소재로 된 것을 사용하되, 특히 수차(30)의 회전축(301) 하단부를 지지하는 베어링은 항상 유체에 담긴 상태를 유지하므로, 유체에 의한 부식을 방지할 수 있는 합성수지재 스러스트 베어링 또는 무급유 복합수재 소재로 된 슬리브 베어링과 같은 비금속재 슬리브 베어링을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 수차(30)는, 관체로 되어 내부가 비어있는 원기둥 형태의 회전축(301)과; 일면 가장자리를 따라서 지지판(302a)을 방사형으로 돌출 형성하여 상기 회전축(301)의 상하단부에 대칭이 되게 일체로 형성한 한 쌍의 보강판(302)과; 상기 한 쌍의 보강판(302)에서 각각 돌출 형성되어 상하 일렬로 위치하는 지지판(302a)간에 각각 일체로 형성하여 상기 보강판(302)의 둘레에 방사형으로 배치하는 블레이드(303)와; 상기 회전축(301)과 블레이드(303) 간에 형성된 공간부(304)를 포함한다.
아울러, 상기 블레이드(303)는 첨부도면 도 6과 같이 평면상에서 볼 때, 보강판(302)의 중심부에서 바깥쪽으로 향하는 직선구간(303a)과; 상기 직선구간(303a)의 외측 끝에서 내측으로 휘어지는 곡선구간(303b)을 포함하며, 평면상에서 볼 때, 상기 하우징(10)의 유로(101)와 접하는 지점의 X축 상에 위치하는 블레이드의 상기 직선구간(303a)과 상기 X축 간의 각도는 20°로 형성하여 이를 방사형으로 배치함으로써 상기 하우징(10)의 유로(101)를 통과하는 유체가 상기 블레이드(303)의 곡선구간(303b)과 먼저 부딪치면서 유체의 흐름에 의한 압력이 수차(30)의 회전력으로 변환되게 함과 동시에 유체의 흐름은 직선구간(303a)을 통해 회전축(301)과 블레이드(303) 간에 형성된 공간부(304)로 신속하고 유연하게 빠져나가도록 함으로써 수차(20)의 회전력과 회전속도를 동시에 증가시킨다.
또한, 상기 블레이드(303)는 첨부도면 도 7과 같이 평면상에서 볼 때, 하우징(10)의 유로(101)와 접하는 지점의 X축 상에 위치하는 블레이드를 오목한 호 형상으로 형성하여 이를 방사형으로 배치함으로써 수로(60)를 통과하는 유체의 유량이 적거나, 유속이 느린 경우에 유체의 흐름에 의한 압력을 효과적으로 모아서 수차(30)의 회전으로 변환함으로써 수차(30)의 회전이 보다 원활하게 이루어진다.
한편, 상기 공간부(304)는 첨부도면 도 6 내지 도 7과 같이 수차(30)에 있어서 상기 회전축(301) 외주면과 상기 블레이드(303)의 내측 단부 간에 형성되는 대략 환상으로 된 공간으로서 유체의 흐름에 의한 압력이 상기 블레이드(303)에 가해지면서 수차(30)가 회전할 때, 블레이드(303)에 부딪힌 유체가 빠져나가는 공간을 제공하는 역할을 함으로써 유체의 원활한 흐름을 유도하여 유속의 감소를 최소화하고, 수차(30)가 회전할 때, 유체와 블레이드(303) 간의 저항을 줄여 수차(30)의 회전저항을 감소시킴으로써 수차(30)의 회전이 원활하게 이루어지게 한다.
상기 블레이드(303)는 사각 형태의 판형으로 형성하되, 재질은 부식을 방지할 수 있는 금속재로 형성하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 블레이드(303)의 표면에는 유체와의 마찰 저항을 감소시키기 위하여 미세홈을 더 구비할 수 있는데, 상기 미세홈을 형성함에 따른 유체와의 마찰 저항 감소와 관련한 기술적인 내용은 본 발명의 기술 분야에서 널리 알려진 공지된 기술에 해당하는 바, 그에 대한 구체적인 도면의 도시나 기술적 설명은 생략한다. 또한, 상기 블레이드(303)의 설치 개수는 수로(60)를 흐르는 유체의 유량이나 유속에 따라서 최초 제작 단계에서 가감할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
상기 증속기(40)는 수차(30)의 회전력을 상기 발전기(50)로 전달함과 동시에 수차(30)의 회전속도를 증속시켜 발전기(50)로 전달하기 위하여 상기 프레임(20) 상부에 고정 설치되어 하단부에 돌출 형성된 입력축(401)을 상기 수차(30)의 회전축(301) 상부에 삽입 설치한다.
또한, 수차(30)의 회전축(301)과 연결된 입력축(401)의 회전 속도를 증속하여, 증속기(40)의 상단부로 돌출 형성된 출력축(402)으로 출력하기 위하여 내부에는 회전 속도 증속을 위한 기어장치를 구비하는데, 상기 증속기(40)의 기어장치는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 기술자에 의해 쉽게 이해되고, 용이하게 실시 가능한 공지 기술에 해당하는바, 그에 대한 도면의 도시나 구체적인 기술적 설명은 생략한다.
상기 발전기(50)는 상기 프레임(20) 상단부에서 각각의 증속기(40) 상부에 위치하게 설치하여 각 증속기(40)의 출력축(402)을 발전기(50)의 구동부에 연결함으로써 출력축(402)의 회전에 의해 구동부가 회전하면서 발전하여 전력을 생산한다.
상기 발전기(50)는 통상의 소수력발전용 발전기(50)로서 용량은 100㎾ 이하를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 소수력 발전장치가 설치되는 수로(60)를 통과하는 유체의 양이나 유속에 따라서 발전기(50)의 용량을 조절한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 기술이 적용된 소수력 발전장치의 작동 관계를 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 소수력 발전장치는 유체의 흐름을 가지는 수로, 즉 소규모 하천이나 공업용 수로, 농업용 수로, 양어장 수로, 상하수도 시설, 각종 건축물의 배수로 등에 하우징(10)을 설치하고, 상기 하우징(10) 내부에 수차(30)와 증속기(40), 발전기(50)를 설치한 프레임(20)을 삽입 설치함으로써 유체의 흐름을 이용하여 전력을 생산하게 된다.
즉, 상기 하우징(10)에는 유로(101)를 형성하여 상기 유로(101)가 상기 수로(60)의 유체 흐름 방향과 일치하게 하우징(10)을 설치한 후, 하우징(10)의 수용부(102) 내부에 차와 증속기(40), 발전기(50)를 설치한 프레임(20)을 삽입 설치한다.
따라서 수로(60)를 통해 흐르던 유체는 하우징(10)의 유로(101)로 유입되는데, 이때, 유로(101)의 유입구(101a)는 전광후협 형태로 형성되어 수로(60)를 통해 유입되는 유체의 유속을 일시적으로 증가시킨다.
그리하여 유속이 증가한 유체는 하우징(10)의 유로(101)를 통과하면서 하우징(10)의 수용부(102)에 위치한 수차(30)를 회전시키게 되는데, 상기 수차(30)는 유로(101) 상에 한 쌍이 세로 방향으로 세워져 대칭으로 설치됨으로써 유로(101)를 통과하는 유체의 유속과 압력에 의해 서로 반대 방향으로 회전한다.
이때, 상기 수차(30)에 형성된 블레이드(303)는 유체에 흐름에 의한 압력을 효과적으로 집중시킴으로써 수차(30)의 회전력이 증가할 뿐만 아니라, 수차(30)의 회전축(301)과 블레이드(303) 간에 형성된 공간부(304)는 수차(30)가 회전하는 과정에서 발생하는 유체와 블레이드(303) 간의 회전 저항을 줄여줌으로써 수차(30)의 원활한 회전을 가능케 한다.
또한, 상기 하우징(10)의 유로(101)를 통과하는 유체가 배출되는 유출구(101b)의 폭과 높이는 하우징(10)이 설치된 수로(60)의 폭, 높이와 동일하게 형성함으로써 전광후협 형태로 된 유입구(101a)를 통해 유입되면서 일시적으로 유속이 증가한 유체가 유출구(101b)를 통해 신속하게 배출되도록 함으로써 수로(60)를 흐르던 유체가 하우징(10)의 유로(101)를 통과하는 과정에서 흐름저항에 의한 유속의 저하가 발생하는 것을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 상기 수차(30)의 상부에는 수차(30)의 회전축(301)에 입력축(401)이 삽입 설치된 증속기(40)를 구비함으로써 하우징(10)의 유로(101)를 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)의 회전속도를 증속기(40)를 이용해 증속하여 증속기(40) 상부로 돌출된 출력축(402)을 통해 출력하고, 상기 출력축(402)은 발전기(50)의 구동부와 연결함으로써 발전기(50)를 구동하여 전력을 생산할 수 있게 된다.
따라서 본 발명의 소수력 발전장치는 수로(60)를 흐르는 유체의 낙차 없이도 유체의 흐름만을 이용하여 수차(30)를 회전시켜 전력을 생산할 수 있기 때문에 유체의 흐름이 있는 수로라면 어떠한 곳이든 설치하여 전력 생산이 가능할 뿐만 아니라, 유량 감소에 따른 수위 저하나, 유속 저하에도 불구하고, 수차(30)의 회전이 가능하고, 그에 따른 안정적인 전력 생산이 가능하기 때문에 소수력발전의 효율성을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시나 응용이 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시나 응용 예는 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
10: 하우징 101: 유로
101a: 유입구 101b: 유출구
102: 수용부 102a: 걸림벽
20: 프레임 30: 수차
301: 회전축 302: 보강판
302a: 지지판 303: 블레이드
303a: 직선구간 303b: 곡선구간
304: 공간부 40: 증속기
401: 입력축 402: 출력축
50: 발전기 60: 수로

Claims (7)

  1. 유체의 흐름이 있는 수로(60) 상에 설치하여 유체가 통과하는 하우징(10)과;
    상기 하우징(10) 내부에 탈부착 가능케 삽입 설치하는 프레임(20)과;
    관체로 된 회전축(301)과, 일면 가장자리를 따라서 지지판(302a)을 방사형으로 돌출 형성하여 상기 회전축(301)의 상하단부에 대칭이 되게 일체로 형성한 한 쌍의 보강판(302)과, 상기 한 쌍의 보강판(302)에서 각각 돌출 형성되어 상하 일렬로 위치하는 지지판(302a)간에 각각 일체로 형성하여 상기 보강판(302)의 둘레에 방사형으로 배치하는 블레이드(303)와, 상기 회전축(301)과 블레이드(303) 간에 형성된 공간부(304)를 포함하고, 상기 프레임(20)에 설치된 합성수지재 스러스트 베어링 또는 무급유 복합수재 소재로 된 슬리브 베어링(201)에 의해 회전 가능케 한 쌍을 세로 방향으로 세워서 대칭으로 설치하여, 상기 하우징(10)을 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하도록 하는 수차(30)와;
    상기 수차(30)의 상부에 입력축(401)을 삽입 설치하여 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)의 회전 속도를 증속시켜 상부의 출력축(402)으로 출력하는 증속기(40)와;
    상기 증속기(40)의 출력축(402)과 연결되게 설치되어 출력축(402)의 회전에 의해 발전하여 전력을 생산하는 발전기(50)를 포함하여 소수력 발전장치를 구성하고,
    상기 블레이드(303)는 평면상에서 볼 때, 보강판(302)의 중심부에서 바깥쪽으로 향하는 직선구간(303a)과; 상기 직선구간(303a)의 외측 끝에서 내측으로 휘어지는 곡선구간(303b)을 포함하며, 평면상에서 볼 때, 상기 하우징(10)의 유로(101)와 접하는 지점의 X축 상에 위치하는 블레이드의 상기 직선구간(303a)과 상기 X축 간의 각도는 20°인 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  2. 제 1항에 있어서;
    상기 블레이드(303)는 평면상에서 볼 때, 하우징(10)의 유로(101)와 접하는 지점의 X축 상에 위치하는 블레이드가 오목한 호 형상인 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
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