KR101611857B1 - 수중 설치형 소수력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중 설치형 소수력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수면 위로 부상하는 플랫폼에 연결되어 수중에 잠입되는 잠입관의 내부에 임펠러가 설치되어 잠입관의 내부를 통과하는 유체의 흐름 압력에 의해 임펠러가 회전하면서 발전기를 구동시켜 전기에너지를 발생시키는 수중 설치형 소수력 발전장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 수면 위로 부상하는 플랫폼; 상기 플랫폼에 연결되어 수중에 잠입되는 잠입관; 상기 잠입관의 내부에 설치되어 수중에서 발생하는 유체의 흐름 압력에 의해 회전하는 임펠러; 및 상기 잠입관의 외부에서 상기 임펠러와 연결되어 상기 임펠러의 회전력으로 발전하는 발전기;를 포함하여 구성되되, 상기 임펠러는, 상기 발전기의 구동축이 연결되고 상방으로 볼록한 원판 형상을 가지는 상부보스; 상기 잠입관에 축지되고 하방으로 볼록한 원판 형상을 가지는 하부보스; 및 상기 상부보스와 상기 하부보스의 가장자리를 일정간격으로 곡형을 이루며 연결하고 익형으로 형성되는 복수 개의 블레이드;로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 설치형 소수력 발전장치를 기술적 요지로 한다.

Description

수중 설치형 소수력 발전장치{Underwater installation type small hydroelectric power generator}

본 발명은 수중 설치형 소수력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수면 위로 부상하는 플랫폼에 연결되어 수중에 잠입되는 잠입관의 내부에 임펠러가 설치되어 잠입관의 내부를 통과하는 유체의 흐름 압력에 의해 임펠러가 회전하면서 발전기를 구동시켜 전기에너지를 발생시키는 수중 설치형 소수력 발전장치에 관한 것이다.

현재 석탄이나 중유 등과 같은 화석연료를 사용하는 발전하는 화력발전소나 우라늄이나 플루토늄 등과 같은 원자의 이용하여 발전하는 원자력발전소는 환경오염과 폐기물 처리에 따른 문제로 인하여 신규로 설치하는 것이 어려운 상황이다.

이러한 상황으로 인하여 냉난방 전기 사용이 급등하는 여름철이나 겨울철에는 전력생산량이 전력공급량을 따라가지 못하는 전력 대란으로 인하여 대규모 정전 상태를 피하기가 쉽지 않은 실정이다.

이를 전력 대란을 방지하기 위하여 풍력과 수력 및 파력 등을 이용하여 발전하는 친환경 발전설비가 곳곳에 설치되고 있는 추세이다. 그러나 상기한 친환경 발전설비를 대규모로 설치하는 경우 설치 장소에 한계가 있고 유지비용도 만만치 않아 경제적으로 비효율적이다.

상기와 같은 한계와 비효율적인 부분을 해소하기 위하여 친환경 발전설비는 소규모 형태로 설치되고 있는데, 그 중에서도 수중에 설치하여 유체의 자연스런 흐름 압력을 이용하여 발전하는 수중 설치형 소수력 발전장치를 개발하고자 하는 많은 연구가 진행되고 있다.

그러나 종래의 수중 설치형 소수력 발전장치는 유체의 흐름 압력에 의해 회전력을 얻는 임펠러가 수중에 위치해야 하므로 이를 지지하는 구조가 복잡하여 실제로 적용하기에 많은 어려움이 있었다. 그리고 임펠러의 형태도 단순하여 유체의 흐름 압력을 제대로 이용하지 못하여 높은 발전효율을 기대할 수 없었다.

국내 공개특허공보 제10-2010-0135010호, 2010.12.24.자 공개. 국내 공개특허공보 제10-2012-0105439호, 2012.09.25.자 공개.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 수중 설치가 용이하여 손쉽게 적용 가능할 뿐만 아니라 유체의 흐름 압력을 최대한 이용하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 구조를 가지는 수중 설치형 소수력 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수중 설치형 소수력 발전장치는, 수면 위로 부상하는 플랫폼; 상기 플랫폼에 연결되어 수중에 잠입되는 잠입관; 상기 잠입관의 내부에 설치되어 수중에서 발생하는 유체의 흐름 압력에 의해 회전하는 임펠러; 및 상기 잠입관의 외부에서 상기 임펠러와 연결되어 상기 임펠러의 회전력으로 발전하는 발전기;를 포함하여 구성되되, 상기 임펠러는, 상기 발전기의 구동축이 연결되고 상방으로 볼록한 원판 형상을 가지는 상부보스; 상기 잠입관에 축지되고 하방으로 볼록한 원판 형상을 가지는 하부보스; 및 상기 상부보스와 상기 하부보스의 가장자리를 일정간격으로 곡형을 이루며 연결하고 익형으로 형성되는 복수 개의 블레이드;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드는, 상기 상부보스의 가장자리에 연결되는 일단과, 상기 하부보스의 가장자리에 연결되는 타단이 수직선상에서 위치 차가 나도록 20~40°의 각도로 비틀어진 헬리컬 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 잠입관의 전단에는, 내경이 점진적으로 확대되는 확대관이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 수중 설치형 소수력 발전장치.

상기 임펠러는, 상기 잠입관의 길이에 따라 복수 개로 구성되어 상기 잠입관의 내부에 일정간격으로 다단 형태로 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 잠입관은, 복수 개로 구성되어 상호 일정간격을 두고 길이방향을 따라 평행하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 임펠러와 상기 발전기의 사이에는, 상기 임펠러의 회전속도가 상기 발전기의 회전속도에 대응되게 조절하는 증속기가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은, 플랫폼을 통해 잠입관을 수중 내부에 용이하게 잠입시킴으로써 하천이나 강에 용이하게 적용 가능할 뿐만 아니라 임펠러의 개선된 형상을 통해 잠입관을 통과하는 유체의 흐름 압력을 최대한 이용하여 전기에너지의 발전량을 극대화시킴으로써 발전효율이 크게 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펠러를 도시한 측면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펠러의 블레이드를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 임펠러를 다단 형태로 설치한 예시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 잠입관을 다단 형태로 설치한 예시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 임펠러의 비틀림 각도에 따른 성능을 시뮬레이션한 결과를 도시한 표.

본 발명에 따른 수중 설치형 소수력 발전장치는 유속이 있는 강이나 하천에 설치되어 유속으로부터 운동에너지를 얻어 발전하는 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 수중 설치형 소수력 발전장치는 소규모 형태로서 설치구조가 간단하여 실제 적용이 가능함으로써 친환경 에너지원으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 임펠러의 형태를 개선하여 유체의 흐름 압력을 제대로 이용함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있는 것이 특징이다.

이러한 특징은, 수면 위로 부상하는 플랫폼과, 플랫폼에 연결되어 수중에 잠입되는 잠입관과, 잠입관의 내부에서 잠입관을 통과하는 유체에 의해 회전하는 임펠러와, 잠입관의 외부에서 임펠러와 연결되어 임펠러의 회전력으로 발전하는 발전기를 포함하는 구성과, 임펠러가 전체적으로 구형이면서 단면이 익형(airfoil)인 복수 개의 블레이드가 헬리컬(helical) 형태로 형성된 구성에 의해 달성된다.

따라서 잠입관이 플랫폼에 의해 수중 내부에 잠입된 상태가 유지되면서 잠입관을 통과하는 유체의 흐름 압력에 의해 임펠러가 회전하여 발전기가 구동됨으로써 전기에너지를 발생시키게 된다.

그리고 임펠러의 블레이드가 단면이 익형이면서 헬리컬 형상으로 구성되어 유체의 흐름에 의한 캐비테이션(cavitation) 현상이 최소화되고 자체적으로 양력이 발생하여 임펠러의 연속적인 회전을 보장함으로써 출력도 향상시키게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펠러를 도시한 측면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펠러의 블레이드를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 임펠러를 다단 형태로 설치한 예시도이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 잠입관을 다단 형태로 설치한 예시도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 임펠러의 비틀림 각도에 따른 성능을 시뮬레이션한 결과를 도시한 표이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 설치형 소수력 발전장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 플랫폼(100), 잠입관(200), 임펠러(300), 및 발전기(400)로 크게 구성된다.

먼저, 상기 플랫폼(100)은 수면 위로 부상하여 상기 잠입관(200)이 수중 내부로 잠입되도록 지지하는 구성이다.

이를 위해 플랫폼(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 복수 개의 부유체(110)가 하부에 고정 설치되어 수면 위로 부상 가능하게 구성될 수도 있고, 도시하지 않았지만 수면 위로 부상 가능한 형태와 재질로 구성될 수도 있다.

다음으로, 상기 잠입관(200)은 플랫폼(100)에 연결된 상태로 수중 내부로 잠입되어 수중 내부에서 발생하는 유체의 흐름을 직진 방향으로 유도하는 구성이다.

이를 위해 잠입관(200)은 길이에 따라 복수 개의 연결부재(120)를 매개로 하여 플랫폼(100)의 하부에 연결된다. 그리고 잠입관(200)은 본래의 기능에 부합되도록 수중 내부로 잠입 가능한 재질로 구성된다.

한편, 잠입관(200)의 전단에는 내경이 점진적으로 커지는 확대관(700)이 더 설치되는데, 이는 잠입관(200)보다 넓은 범위에서 유체를 포집하여 잠입관(200)의 내부로 유입되는 유체의 유입 유량을 증대시킴으로써 상기 임펠러(300)의 회전수를 높이기 위한 것이다.

즉, 보통 1m/s정도가 되는 하천이나 강의 유속이 확대관(700)을 따라 잠입관(200)을 통과할 때는 3~5m/s로 유지되도록 함으로써 임펠러(300)의 회전수가 충분히 나오도록 보장하기 위함이다.

다음으로, 상기 임펠러(300)는 잠입관(200)의 내부에 설치되어 잠입관(200)의 내부를 따라 통과하는 유체로부터 회전력을 발생시키는 구성이다. 즉, 임펠러(300)는 잠입관(200)의 내부로 유도되는 유체의 흐름에 의해 유체가 흐르는 방향과 직교하는 방향을 중심으로 하여 회전하면서 회전력을 발생시키는 구성이다.

이를 위해 임펠러(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 상부보스(310), 하부보스(320) 및 복수 개의 블레이드(330)로 구성된다.

상기 상부보스(310)는 상부면이 상방으로 볼록한 원판 형상으로 형성되어 상기 발전기(400)의 구동축이 연결되고, 상기 하부보스(320)는 하부면이 하방으로 볼록한 원판 형상으로 형성되어 잠입관(200)의 내측에 회전 가능하게 축지된다.

단, 상부보스(210)와 하부보스(320)는 임펠러(300)의 회전시 회전 저항이 최소화되도록 베어링(미도시)을 사이에 두고 잠입관(200)의 내부에 설치된다.

상기 블레이드(330)는 상부보스(310)와 하부보스(320)의 가장자리를 일정간격으로 곡형으로 연결하는 형태를 가지면서 단면이 익형으로 구성되면서, 상부보스(310)의 가장자리에 연결되는 일단과 하부보스(320)의 가장자리에 연결되는 타단이 수직선상에서 위치 차가 나도록 비틀어진 헬리컬 형태로 구성된다.

즉, 임펠러(300)는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 잠입관(200)의 내부에 적용 가능하도록 상부보스(310)와 하부보스(320) 및 복수 개의 블레이드(330)가 이루는 전체적인 형상이 구형을 형성하면서, 유체의 흐름에 의한 캐비테이션을 최소화하면서 자체적으로 양력이 발생하도록 블레이드(330)의 단면이 익형이면서 헬리컬 형태를 가진 것이다.

이때 블레이드(330)의 비틀림 각도(α)는 상기 헬리컬 형태에 따른 작용효과가 극대화되도록 하기 위해서는 20~40°가 바람직한데, 이는 상기 비틀림 각도가 각각 0°일 때와 30°일 때를 시뮬레이션한 결과에 따른 흐름속도 백터(flow velocity vector), 흐름 유선형(flow streamline), 블레이드에 작용하는 압력(Pa), 양력계수(C_L), 토크(Nm), 동력계수(power coefficient)를 통해 확인할 수 있다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이 흐름속도 벡터에 있어서 30°일 때는 전반적으로 유동이 원활하게 되고 있지만 0°일 때는 임펠러 후단에서 유동박리에 의해 와류가 형성되어 양력을 감소시키는 것을 확인할 수 있다.

흐름 유선형에 있어서 30°일 때는 유선의 흐름이 유입되는 유체와 거의 평행한 방향에서는 유선이 부드럽게 흐르다가 임펠러가 회전하면서 유입 유체와 직각을 이루는 곳에서는 순간적으로 유체가 빠져나가지 못하고 와류가 생기는 현상이 발생하지만 0°일 때는 임펠러 후단에서 와류가 크게 발생하여 양력을 감소시키고 회전에너지의 손실을 발생하는 것을 확인할 수 있다.

블레이드 작용하는 압력에 있어서 30°일 때는 와류가 거의 없고 유체가 부드럽게 블레이드를 타고 흘러가면서 주변 속도가 낮아지므로 0°일 때보다 압력이 낮음을 확인할 수 있다. 또한, 양력계수, 토크, 동력계수에 있어서도 0°일 때보다 30°일 때 모두 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

한편, 시뮬레이션 결과를 별도로 첨부하지 않았지만 블레이드(330)의 비틀림 각도가 20°보다 작은 경우에는 0°일 때와 같이 유체의 흐름을 방해하여 작용효과가 미미한 것을 확인하였고, 40°보다 큰 경우에는 30°일 때와 달리 오히려 역효과가 발생하는 것을 확인하였다.

따라서 유동 손실의 최소화, 회전 토크의 최대화, 및 유체에 흐름에 의한 캐비테이션의 최소화를 위해서는 블레이드(330)의 비틀림 각도를 20~40°로 구성하는 것이 가장 바람직하다.

마지막으로, 상기 발전기(400)는 잠입관(200)의 외부에서 임펠러(300)와 연결되는 구성이다. 즉, 발전기(400)는 임펠러(300)의 회전력을 전달받아 구동축이 회전되면서 전자기유도 현상을 통해 전기에너지를 발생시키는 구성이다.

이를 위해 발전기(400)는 구동축이 임펠러(300)의 상부보스(310) 중심에 일체로 회전되게 연결된다. 그리고 발전기(400)의 출력단은 발전기(400)에서 출력되는 전기에너지를 안정적으로 제어하여 축전지에 충전하거나 전기장치의 전원으로 직접 사용되도록 공급하는 전원제어반(500)과 전기적으로 연결된다.

단, 발전기(400)는 수중 내부에서 임펠러(300)와 연결됨에 따라 수중에서는 원활하게 구동될 수 있도록 방수기능을 가지는 수중형 발전기로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 발전기(400)와 임펠러(300)의 사이에는 증속기(600)가 더 설치되는 것도 가능하다. 즉, 유속이 충분하지 못하여 임펠러(300)의 회전속도가 발전기(400)의 회전속도에 미치지 못할 때 임펠러(300)의 회전속도를 증속시켜 발전기(400)의 회전속도에 대응시키는 증속기(600)가 설치될 수 있다.

상기 증속기(600)는 발전기(400)와 함께 수중에 잠입된 상태로 설치되므로 발전기(400)와 같이 방수 기능을 가지는 수중형 증속기로 구성되는 것이 바람직하다.

여기서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 설치형 소수력 발전장치는, 단위시간당 발전량을 증대시킬 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이 임펠러(300)가 복수 개로 구성되어 잠입관(200)의 내부에 일정간격으로 설치되는 직렬 다단 형태로 구성되는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 설치형 소수력 발전장치는, 단위시간당 발전량을 증대시킬 수 있도록 도 5에 도시된 바와 같이 잠입관(200)이 복수 개로 구성되어 플랫폼(100)의 하부에 상호 일정간격을 두고 길이방향을 따라 평행하게 설치되는 직, 병렬 다단 형태로 구성되는 것도 가능하다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

100: 플랫폼
110: 부유체
120: 연결부재
200: 잠입관
300: 임펠러
310: 상부보스
320: 하부보스
330: 블레이드
400: 발전기
500: 전원제어반
600: 증속기
700: 확대관

Claims (6)

1. 수면 위로 부상하는 플랫폼;
   상기 플랫폼에 연결되어 수중에 잠입되는 잠입관;
   상기 잠입관의 내부에 설치되어 수중에서 발생하는 유체의 흐름 압력에 의해 회전하는 임펠러; 및
   상기 잠입관의 외부에서 상기 임펠러와 연결되어 상기 임펠러의 회전력으로 발전하는 발전기;를 포함하여 구성되되,
   상기 임펠러는 상기 발전기의 구동축이 연결되고 상방으로 볼록한 원판 형상을 가지는 상부보스; 상기 잠입관에 축지되고 하방으로 볼록한 원판 형상을 가지는 하부보스; 및 상기 상부보스와 상기 하부보스의 가장자리를 일정간격으로 곡형을 이루며 연결하고 익형으로 형성되는 복수 개의 블레이드;로 구성되고,
   상기 블레이드는 상기 상부보스의 가장자리에 연결되는 일단과, 상기 하부보스의 가장자리에 연결되는 타단이 수직선상에서 위치 차가 나도록 20~40°의 각도로 비틀어진 헬리컬 형태로 구성되며,
   상기 발전기는 상기 잠입관의 외부에 설치되고 상기 발전기의 구동축은 상기 임펠러의 상부보스 중심에 일체로 회전되게 연결되며 상기 발전기의 출력단은 상기 발전기에서 출력되는 전기에너지를 안정적으로 제어하여 축전지에 충전하거나 전기장치의 전원으로 직접 사용되도록 공급하는 전원제어반과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 수중 설치형 소수력 발전장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 잠입관의 전단에는,
   내경이 점진적으로 확대되는 확대관이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 수중 설치형 소수력 발전장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 임펠러는,
   상기 잠입관의 길이에 따라 복수 개로 구성되어 상기 잠입관의 내부에 일정간격으로 다단 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 수중 설치형 소수력 발전장치.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 잠입관은,
   복수 개로 구성되어 상호 일정간격을 두고 길이방향을 따라 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 수중 설치형 소수력 발전장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 임펠러와 상기 발전기의 사이에는,
   상기 임펠러의 회전속도가 상기 발전기의 회전속도에 대응되게 조절하는 증속기가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 수중 설치형 소수력 발전장치.

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