KR101642677B1 - 외장형 인라인스크류 소수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수 및 하수처리장과 같은 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로에 설치되며, 그 관로에 흐르는 물의 수력(수압, 유량)을 이용한 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전작용에 의해 전력을 생산하여 공급되게 하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치에 관한 것이다.
이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은; 수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치로서, 물이 흐르는 관로(10) 사이에 유입관(120) 및 출수관(130)을 이용해 연결설치되되, 상기 유입관(120) 및 출수관(130) 사이에 마련된 직관(110)의 내부로 관로(10)의 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 직렬 연결 관로(100)와; 상기 직관(110)의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하는 회전자(200)와; 상기 직렬 연결 관로(100)의 외부로 인접하게 설치되되, 상기 회전자(200)의 회전동력이 구동축(340)을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기(320)를 이용해 전력을 생산하는 발전기수단(300)을 포함하여 구성되고, 상기 회전자(200)는, 구동축(340)에 축 결합되는 회전자 내륜(210)과, 상기 회전자 내륜(210)의 둘레로 상기 직관(110)의 내벽과 동일 직경의 내경을 갖는 회전자 외륜(220) 및, 상기 회전자 내륜(210)과 회전자 외륜(220) 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 회전자 날개(230)를 포함하여 구성된다.

Description

외장형 인라인스크류 소수력발전장치 {outer mounted inline screw type of small scale hydropower}

본 발명은 정수 및 하수처리장과 같은 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로에 설치되며, 그 관로에 흐르는 물의 수력(수압, 유량)을 이용한 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하는 발전작용에 의해 전력을 생산하여 공급되게 하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수력발전은 물의 흐름을 이용한 운동 에너지를 전기 에너지로 전환하여 발전을 수행하는 것으로, 하천의 물을 막거나 댐을 건설하여 유수를 이용한 낙차 현상으로 발전하는 대용량 수력발전설비 또는, 소하천과 농수로 및 각종 수처리 시설에 적용되어 설비 용량이 15,000kw 미만의 소수력발전설비를 구분되고 있다.

이러한 수력발전설비 중에 소수력발전은 대용량 수력발전설비와 원리 면에서 차이가 없으나 대용량 수력발전설비의 부정적 요인(대규모 설비에 의한 환경파괴, 시설 가능 지역의 제한 등등)을 해결할 수 있으며, 소수력발전은 다른 발전설비에 비해 친환경적이고, 단위 용량당 에너지 생산량이 많으며, 원자재의 해외의존도가 없어 광범위하게 널리 사용되고 있는 실정이다.

기존 소수력발전에서 사용하는 대표적인 수차는 펠톤, 횡류수차, 프란시스, 카프란, 튜블러 등이 있었으며, 그 중 펠톤, 횡류수차, 프란시스, 카프란은 물의 유입방향과 물의 유출 방향이 직각인 관계로 관을 절단하고 관의 중간부분에 설치하기가 곤란하며, 관을 절단하고 설치하여도 수차 유출구 방향에 엘보등을 설치하여 관의 방향을 바꾸어야 하므로 설치공간이 증가하고, 효율이 감소할 수 있었다. 이를 위해 물의 유입과 유출이 일직선상에 있고, 배관 중간에 설치가 가능한 튜블러 수차를 광범위하게 이용하고 있다.

이와 같은 기술과 관련하여 종래 등록특허공보 제10-1369522호를 살펴보면, 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 액츄에이터가 연결되며, 상기 액츄에이터에는 제어부가 전기적으로 접속되고, 상기 제어부는 상기 유로를 통과하는 유체의 유량 변동에 대응하여 상기 액츄에이터의 구동을 제어함으로써 날개의 각도를 가변하는 구조로 이루어져 있다.

또한 종래 등록특허공보 제10-1503727호를 살펴보면, 러너에서 수압이 인가되는 측에는, 수압이 유입되는 입구와 상기 러너로 배출하는 출구를 가지는 '관' 형상의 유입관이 배치되되, 상기 유입관은 입구가 출구에 비하여 그 직영이 크게 형성되어 입구에서 출구 측으로 갈수록 수압이 증대되도록 되고, 상기 러너는 상기 유입관의 출구에 접속된 연결관의 내부에 배치됨과 아울러, 상기 러너에 대하여 상기 유입관 측의 상기 연결관에는 중앙을 중심으로 방사상으로 배치되되 수압이 중앙을 중심으로 와류 형태로 이동하도록 경사면을 가지는 경사 날개들을 포함하여 구성되어 있다.

이와 같이 제시된 종래 선행기술문헌들을 배경으로 다양한 소수력발전장치가 개발되고 있지만 개선해야할 기술적 문제점들이 여전히 노출되고 있는 상황이다.

이를 살펴보면, 종래의 경우 발전기 등의 전기부품들을 관로 내부에 설치하여 사용하게 되면, 외부 충격 또는 노후에 의한 누수가 생겨 발전기 등의 전기부품들이 설치된 공간에 물이 유입됨에 의한 파손을 야기하고, 또한 발전기 등의 전기부품들을 관로의 외부에 설치하여 사용하게 되면, 물의 유동방향과 직각으로 발전기를 연결하기 위한 벨트 작동 공간을 확보해야 함에 따라 그 작동 공간에 의해 저항이 생겨 물이 정상적으로 공급되지 않고 압력과 유량이 감소하는 문제점이 있었다.

또한, 소수력발전장치에서 사용하는 회전자(런너)는 복수의 날개(블레이드)가 회전축 둘레로 단순 결합되는 프로펠러(propeller) 형상으로 이루어지기 때문에 회전자 날개의 끝 부분이 관로의 내벽에 일정 간격 이격됨으로 틈새 공간이 생겨 물이 저항 없이 빠져나갈 수 있고, 또한 복수의 날개를 물의 흐름에 따라 각도를 조절할 수 있는 가변형 날개 구조를 사용하면 물의 압력이 한계까지 상승하면서 가변형 날개가 의도치 않게 움직여 날개에 전달되는 물의 압력이 상쇄될 수 있음에 따라 기존의 소수력발전장치는 물의 운동 에너지를 완전히 활용하지 못하는 손실이 생겨 발전 효율이 좋지 못한 문제점이 있었다.

또한, 종래의 경우 발전기 내부의 영구자석은 온도가 상승하면 자성이 감소하면서 임계온도를 초과하는 경우 자성은 완전히 사라지는 특성이 있고, 온도를 일정 온도 이하로 낮추어도 자성은 원상태로 회복되지 않기 때문에 발전기의 자석이 항상 일정한 온도로 유지되어야 하며, 또한 회전자의 회전작동을 위한 베어링 유닛 역시 온도가 높으면 그리스의 윤활기능이 떨어지고, 온도가 너무 낮으면 마찰력이 커짐에 따라 기존의 소수력발전장치는 발전기 및 베어링 유닛이 항상 일정한 온도로 유지될 수 있게 하는 냉각장치가 절실하게 필요한 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1369522호(등록일:2014.02.25)가 제시되어 있다. 대한민국 등록특허공보 제10-1503727호(등록일:2015.03.12)가 제시되어 있다.

본 발명은 소수력발전장치의 발전기를 관로 외부에 위치되게 하고, 수력에 의한 운동에너지를 전달하는 회전자는 관로 내부에 설치할 수 있도록 관로의 구조를 개선하면서, 그 발전기와 회전자를 구동축을 이용해 직렬로 축 연결시켜 회전 동력이 전달되게 구성함에 따라 발전기 등의 전기부품들은 외부에 위치하여 누수에 의한 부품 파손을 방지하고, 직렬연결에 의해 물이 유동하는 부분에 저항을 발생하는 공간이 없어 물이 정상적으로 공급되면서 물의 압력과 유량이 감소하는 것 역시 방지하도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 소수력발전장치의 회전자 날개 끝 부분과 관로 사이로 틈새가 없도록 회전자를 일체형 구조로 제작함과 더불어, 물의 흐름에 의한 압력으로 회전자의 날개가 움직이지 않도록 고정형 날개를 적용하는 등 회전자의 전체 구조를 개선함에 따라 물이 저항 없이 빠져나가는 것을 방지하면서, 물의 운동에너지를 완전히 활용할 수 있게 하여 발전 효율이 향상되도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 소수력발전장치의 발전기 및 베어링 유닛에 일정한 온도로 유지될 수 있게 하는 냉각수단을 적용함에 따라 발전기의 내부 영구자석의 자성이 감소하거나 자성이 완전히 사라지는 것을 방지하고, 베어링 유닛의 윤활기능이 떨어지거나 마찰력이 커지는 것을 방지하도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은;

수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치로서,

물이 흐르는 관로 사이에 유입관 및 출수관을 이용해 연결설치되되, 상기 유입관 및 출수관 사이에 마련된 직관의 내부로 관로의 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 직렬 연결 관로와;

상기 직관의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하는 회전자와;

상기 직렬 연결 관로의 외부로 인접하게 설치되되, 상기 회전자의 회전동력이 구동축을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기를 이용해 전력을 생산하는 발전기수단을 포함하여 구성되고,

상기 회전자는, 구동축에 축 결합되는 회전자 내륜과, 상기 회전자 내륜의 둘레로 상기 직관의 내벽과 동일 직경의 내경을 갖는 회전자 외륜 및, 상기 회전자 내륜과 회전자 외륜 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 회전자 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치를 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 소수력발전장치의 발전기는 관로 외부에 위치되게 하고, 회전자는 관로 내부에 설치가능하게 하는 구조의 직렬 연결 관로을 제공함과 더불어, 그 발전기와 회전자가 구동축에 의해 직렬연결되게 설치구성함으로써 발전기 등의 전기부품들이 누수에 의해 파손되는 것이 방지되고, 직렬 연결 관로의 내부 유로로 물이 저항이 되는 공간이 없어 물이 정상적으로 유로에 공급되면서 물의 압력과 유량이 감소하는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 소수력발전장치의 회전자를 축 연결을 위한 내륜 및, 내륜의 둘레로 관로의 내벽과 동일 직경을 갖는 외륜으로 마련하고, 그 내륜과 외륜 사이에 복수의 날개를 고정시켜 이루어진 회전자를 구성함으로써 물이 저항 없이 빠져나가는 틈새가 유로에 없어 물의 운동에너지를 완전히 활용하면서 고정형 날개에 의해 물의 압력으로 날개가 움직이거나 진동이 발생하지 않아 발전 효율이 향상되는 또 다른 효과가 있다.

또한, 소수력발전장치의 발전기 및 베어링 유닛의 외부 표면으로 냉각수가 냉각라인은 이용해 지속적으로 순환되면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각을 수행하는 냉각수단을 설치구성함으로써 발전기 및 베어링 유닛이 일정한 온도로 유지됨에 따라 발전기의 내부 영구자석의 자성이 감소하거나 자성이 완전히 사라지는 것을 방지하고, 베어링 유닛의 윤활 기능이 떨어지거나 마찰력이 커지는 것을 방지할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 외장형 인라인스크류 소수력발전장치에 대한 각부 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 외장형 인라인스크류 소수력발전장치의 작동 상태의 도면.

본 발명에 따른 외장형 인라인스크류 소수력발전장치를 첨부된 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

한편, 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하거나 속하지 아니한 기술분야에서 광범위하게 널리 알려져 사용되고 있는 구성요소에 대해서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하며, 이는 불필요한 설명을 생략함과 더불어 이에 따른 본 발명의 요지를 더욱 명확하게 전달하기 위함이다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 각 실시 예에 따른 외장형 인라인스크류 소수력발전장치를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.

이에 따른 소수력발전장치(1)를 개략적으로 살펴보면, 관로(10)의 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 직렬 연결 관로(100)와; 수압을 이용해 회전작동하는 회전자(200)와; 회전자(200)의 회전동력을 이용해 발전기(320)가 작동하면 전력을 생산하는 발전기수단(300)을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명의 기본 구성의 실시 예로서, 제1 실시 예에 따른 외장형 인라인스크류 소수력발전장치의 각부 구성을 도 1 내지 도 3을 참고로 구체적으로 설명한다. 도 1은 제1 실시 예에 따른 소수력발전장치의 사시도, 도 2는 제1 실시 예에 따른 소수력발전장치의 측단면도, 도 3은 제1 실시 예에 따른 소수력발전장치의 평단면도이다.

먼저 상기 직렬 연결 관로(100)는;

예비로 물이 흐르는 관로(10) 사이에 유입관(120) 및 출수관(130)을 이용해 연결설치되되, 상기 유입관(120) 및 출수관(130) 사이에 마련된 직관(110)의 내부로 관로(10)의 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되게 하는 것이다.

이와 같은 직렬 연결 관로(100)는 내구성이 우수하면서, 물에 의한 부식에 강한 금속 재질로 제작하거나, 표면에 부식방지 처리를 수행할 수 있으며, 바람직하게는 직렬 연결 관로(100)를 정수 및 하수처리장과 같은 수처리 시설 또는 소하천 등에서 물이 흐르는 관로(10) 중간 사이에 관 이음으로 설치하여 사용한다.

본 발명의 기본 실시 예에 따른 직렬 연결 관로(100)는; 직관(110), 유입관(120), 출수관(130), 연결관(140)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

예를 들면, 상기 직렬 연결 관로(100)는; 관 형태로 형성되되, 내부 중앙 부분에 회전자(200) 및 가이드 베인(400)이 삽입되는 직관(110)을 더 포함한다.

상기 직관(110)은 직선의 관으로 제작되되, 양단에 관 이음을 위한 플랜지가 마련되고, 그 중앙 부분으로 회전자(200) 및 가이드 베인(400)이 삽입되면, 그 삽입된 양측 부분으로 지름이 크게 형성되는 경사구간(111)이 마련되는 구조이다.

이때, 상기 직관(110)은 경사구간(111)이 마련되게 제작됨에 따라 유입되는 물이 병목형상에 의한 수압이 형성될 수 있게 한다.

또한, 상기 직렬 연결 관로(100)는; 상기 직관(110)의 유로와 직각으로 통하게 관 이음 되면서 상기 관로(10)에 연결되어 물이 유입되는 유입관(120)을 더 포함한다.

상기 유입관(120)은 내부로 직각의 유로를 갖도록 라운드 형으로 꺾어서 제작되되, 양단에 관 이음을 위한 플랜지가 마련되어 상기 유입관(120)의 일단은 관로(10)에서 최초 물이 유입되는 부분의 측면에 관 이음으로 연결되고, 그 타단은 상기 직관(110)의 일측에 관 이음으로 연결되어 상기 관로(10)에 흐르는 물이 상기 직관(110)에 유입되게 한다.

또한, 상기 직렬 연결 관로(100)는; 상기 유입관(120)의 반대쪽에서, 상기 직관(110)의 유로와 직각으로 통하게 관 이음 되면서 상기 관로(10)에 연결되어 직관(110)으로 흐르는 물이 배출되는 출수관(130)을 더 포함한다.

상기 출수관(130)은 내부로 직각의 유로를 갖도록 라운드 형으로 꺾어서 제작되되, 양단에 관 이음을 위한 플랜지가 마련되어 상기 출수관(130)의 일단은 관로(10)에서 물이 배출되는 부분의 측면에 관 이음으로 연결되고, 그 타단은 상기 직관(110)으로 유입관(120)의 반대 측에 관 이음으로 연결되어 상기 직관(110)을 통과한 물이 상기 관로(10) 측으로 복귀하도록 출수하게 한다.

또한, 상기 직렬 연결 관로(100)는; 상기 유입관(120)의 측면으로 기밀이 유지되게 관통삽입되어 고정되되, 내측으로 구동축(340)의 일부가 삽입되어 회전자(200)와 발전기(320)를 직렬로 상호 연결되게 하는 연결관(140)을 더 포함한다.

상기 연결관(140)은 직선의 파이프 형태로 제작되며, 일측 부분은 상기 유입관(120)의 측면으로 관통되면서 직관(110)의 내부에 위치될 수 있게 하고, 그 연결관(140)의 타측 부분은 유입관(120)의 측면 외측에 노출되어 고정되는 구조이다.

이때, 상기 연결관(140)은 유입관(120)의 외측에 노출된 부분으로 누수되는 물이 외부로 배출될 수 있도록 하측에 배출 구멍을 형성할 수 있으며, 상기 연결관(140)은 상기 유입관(120)에 관통된 부분으로 기밀이 유지되게 용접에 의해 고정될 수 있고, 상기 연결관(140)의 내부로 후술하는 구동축(340)이 삽입되게 된다.

한편, 상기 관로(10)는 예비 수로이며, 직렬 연결 관로(100)는 발전기(320)가 설치되는 수로로써, 상기 관로(10) 중앙 및, 직렬 연결 관로(100)의 유입관(120)과 출수관(130) 측에는 물의 공급 개폐량을 조절하는 복수의 밸브(11)가 설치될 수 있다.

따라서 본 발명은 직렬 연결 관로(100)의 구조가 부가됨에 따라 소수력발전장치(1)의 발전기(320)의 관로(10) 외부에 위치되게 하고, 회전자(200)는 직관(110) 내부에 설치가능하게 하고, 발전기(320)와 회전자(200)를 상호 연결하는 구동축(340)이 연결관(140)에 의해 직렬연결됨에 따라 발전기(320) 등의 전기부품들이 누수에 의해 파손되는 것이 방지되고, 직렬 연결 관로(100)의 내부 유로에 물의 저항이 되는 공간이 없어 물이 정상적으로 공급되면서 물의 압력과 유량이 감소하는 것이 방지된다.

그리고, 상기 회전자(200)는;

상기 직관(110)의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하며, 그 회전작동에 의한 운동에너지를 발전기수단(300)에 전달시켜 발전이 수행되도록 하는 것이다.

이와 같은 회전자(200)는 물의 수압에 의한 변형을 방지하기 위해 내구성이 우수하며, 물에 의한 부식 역시 강한 금속 재질로 제작하거나, 표면에 부식방지 처리를 수행할 수 있다.

여기서 상기 회전자(200)는 상기 직렬 연결 관로(100)의 직관(110) 내부에 위치한 상태에서 후술하는 구동축(340)에 축 결합되어 키 구조로 고정됨으로 수압에 의해 회전하면 구동축(340)을 통해 회전운동을 전달할 수 있게 된다.

본 발명의 기본 실시 예에 따른 회전자(200)는; 회전자 내륜(210), 회전자 외륜(220), 회전자 날개(230)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

예를 들면, 상기 회전자(200)는; 구동축(340)에 축 결합되는 회전자 내륜(210)과, 상기 회전자 내륜(210)의 둘레로 상기 직관(110)의 내벽과 동일 직경의 내경을 갖는 회전자 외륜(220) 및, 상기 회전자 내륜(210)과 회전자 외륜(220) 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 회전자 날개(230)를 더 포함한다.

상기 회전자 내륜(210)은, 중앙에 구동축(340)이 관통 삽입되는 원판 링으로 제작되며, 상기 회전자 내륜(210)의 구동축(340)이 삽입되는 부분에는 키 결합을 위한 키 홈이 형성되어 상기 회전자 내륜(210)이 구동축(340)과 동일한 회전을 할 수 있는 구조이다.

상기 회전자 외륜(220)은, 회전자 내륜(210)의 둘레에 일정간격 이격된 원판 링으로 제작되며, 상기 회전자 외륜(220)의 내경은 상기 직관(110)의 내주와 동일 직경을 갖도록 형성하여, 회전자 외륜(220)의 내경이 유로의 내측에 돌출되지 않아 물의 흐름에 방해가 되지 않고 물의 흐름 역시 일직선으로 원활하게 흐를 수 있게 된다.

이때, 상기 회전자 외륜(220)의 외측면과 직관(110)의 내측면 사이에는 베어링 기능을 위한 구조물이 설치됨으로 이에 따라 회전자(200)에 어떠한 원인에 의한 충격이 발생하여도 베어링 기능에 따라 회전자(200)에 진동이 발생하지 않으면서, 파손을 방지하게 된다.

상기 복수의 회전자 날개(230)는, 복수의 판재가 상기 회전자 내륜(210) 및 회전자 외륜(220) 사이의 이격 공간에 삽입되며, 그 회전자 날개(230)의 상하측이 상기 회전자 내륜(210) 및 회전자 외륜(220)의 내측에 각각 용접으로 고정하거나, 또는 주형을 이용해 회전자(200) 전체를 단일체의 주물로 제작할 수 있다.

이때, 상기 복수의 회전자 날개(230)가 회전자 내륜(210)과 회전자 외륜(220) 사이에 고정되는 구조를 갖음에 따라 회전자 날개(230)에 불균형의 힘이 작용하여도 회전자 외륜(220)의 고정작용에 의해 진동이 발생하지 않으며, 회전자 외륜(220)이 회전자 날개(230)와 함께 회전함으로 유입되는 물의 압력은 전부 발전에 사용할 수 있다.

또한, 상기 회전자 날개(230)는, 상기 회전자 내륜(210)의 둘레에 스크류 형태로 유선형으로 제작되되, 회전자 내륜(210)에 인접한 측은 두껍고, 회전자 외륜(220)에 인접한 측은 얇게 형성됨과 더불어, 물이 최초 유입되는 부분은 두껍고, 그 반대로 물이 빠져나가는 부분은 얇게 형성된 형태를 갖는 것을 더 포함하고, 이에 따라 회전자 날개(230)에 물의 압력이 효율적으로 전달되면서 유체 흐름이 원활하게 되는 것이다.

따라서 본 발명의 회전자(200)는 회전자 내,외륜(210,220) 및 회전자 날개(230)의 구조가 더 부가됨에 따라 직렬 연결 관로(100)의 직관(110) 내부로 물이 저항 없이 빠져나가는 틈새가 없어 물의 운동에너지를 완전히 활용하면서 고정형 구조의 회전자 날개(230)에 의해 물의 압력으로 회전자 날개(230)가 움직이거나 진동이 발생하지 않아 발전 효율이 향상되게 된다.

한편, 상기 회전자(200)는, 공급되는 물의 방향을 전환하면서, 균등한 수압과 유량의 물이 회전자(200)의 전체에 일정한 방향으로 고르게 유입되게 안내하는 가이드 베인(400)을 더 포함한다.

상기 가이드 베인(400)은, 상기 회전자 내륜(210)과 인접하게 위치한 가이드 내륜(410)과, 상기 가이드 내륜(410)의 둘레로 상기 출구(102)의 내벽과 동일 직경의 내경을 갖으면서 상기 출구(102)의 내벽에 고정되는 가이드 외륜(420) 및, 상기 가이드 내륜(410)과 가이드 외륜(420) 사이에 방사형으로 고정결합되어 유입되는 물을 안내하는 복수의 가이드 날개(430)를 더 포함한다.

이때, 상기 가이드 베인(400)은 구동축(340)에 단순 관통삽입되면서 결합되되, 상기 가이드 내륜(410)의 일측에는 밀봉을 위해 구비되는 메카니칼 씰의 커버 역할을 함과 더불어, 가이드 내륜(410)의 타측에는 축의 흔들림을 잡아주는 슬라이드 베어링이 마련될 수 있다.

여기서 상기 가이드 베인(400)은 물의 방향을 전환하면서 균등한 압력과 유량의 물을 회전자(200)에 공급시키는 기능을 하면서, 그 균등한 압력과 유량으로 공급된 물은 회전자(200)에 일정한 각도로 물의 흐름이 형성되게 한다.

더불어, 상기 가이드 내륜(410)의 안쪽에는 연결관(140) 측으로 물이 누수되지 않도록 기밀이 유지되게 하는 메카니칼 씰이 마련될 수 있다.

또한, 상기 가이드 날개(430)는, 상기 가이드 내륜(410)의 둘레에 스크류 형태로 유선형으로 제작되되, 가이드 내륜(410)에 인접한 측은 두껍고, 가이드 외륜(420)에 인접한 측은 얇게 형성됨과 더불어, 물이 최초 유입되는 부분은 두껍고, 그 반대로 물이 빠져나가는 부분은 얇게 형성된 형태를 갖는 것을 더 포함하며, 이에 따라 가이드 날개(430)에 의해 유체 흐름이 원활하게 되는 것이다.

이와 더불어, 도 4의 확대도에서 도시한 바와 같이, 상기 회전자 날개(230) 및 가이드 날개(430)는, 상기 가이드 날개(430)의 결합 방향이 회전자 날개(230)의 결합 방향의 반대로 대향하여 배치되는 것을 더 포함하고,

상기 가이드 날개(430)를 통해 비스듬하게 유입되는 물이 상기 회전자 날개(230)의 일면 전체에 부딪혀 굽이지면서 흐르는 작용으로 상기 회전자 날개(230)에 물의 운동에너지가 전달됨에 따라 회전자 날개(230)가 수력을 완전하게 활용할 수 있게 되어 발전효율이 향상된다.

그리고, 상기 발전기수단(300)은;

상기 직렬 연결 관로(100)의 외부로 인접하게 설치되되, 상기 회전자(200)의 회전동력이 구동축(340)을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기(320)를 이용해 전력을 생산하면서, 생산된 전력을 공급하기 위한 것이다.

이와 같은 발전기수단(300)은 직렬 연결 관로(100)의 외부에 설치됨으로 빗물과 같은 수분에 의한 부식을 방지하는 재질로 제작하거나, 표면에 부식 방지 처리가 수행될 수 있으며, 발전기(320)에서 열이 발생함으로 내열성의 특성을 갖는 것이 바람직한 것이다.

본 발명의 기본 실시 예에 따른 발전기수단(300)은; 구동축(340), 발전기(320), 베어링 유닛(310), 냉각수단(330)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

예를 들면, 상기 발전기수단(300)은; 상기 회전자(200)와 발전기(320)를 축 연결하여 회전자(200)의 회전동력을 발전기(320)에 전달하는 구동축(340)을 더 포함한다.

상기 구동축(340)은 환봉으로 제작되며, 상기 연결관(140)의 내부에 삽입됨에 따라 상기 구동축(340)의 일측 부분은 상기 유입관(120)의 측면으로 관통되면서 상기 직관(110)의 내부에 위치되고, 그 구동축(340)의 타측 부분은 유입관(120)의 측면 외측에 위치되게 된다.

이때, 상기 구동축(340)이 직관(110)에 삽입된 부분은 상기 회전자(200)가 축 결합되면서 키에 의해 고정결합됨과 더불어, 후술하는 가이드 베인(400)이 관통삽입되면서 결합될 수 있고, 상기 구동축(340)이 유입관(120)의 외측에 위치한 끝 부분은 커플링(350)을 이용해 발전기(320)와 연결됨으로 회전자(200)의 회전작동에 의한 운동에너지를 발전기(320)에 전달할 수 있게 된다.

또한, 상기 발전기수단(300)은; 회전자(200)의 회전동력에 의한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 작용으로 구동하면서 전력을 생산하는 발전기(320)를 더 포함한다.

상기 발전기(320)는 영구자석동기발전기로 기존의 발전장치에서 널리 사용하는 것임으로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

이때, 상기 발전기(320)는 직렬 연결 관로(100)의 외부로 인접하게 노출된 상태에서 별도의 테이블을 이용해 설치되는 것이며, 상기 직렬 연결 관로(100)의 유입관(120) 외측으로 돌출된 구동축(340)에 연결됨으로 회전자(200)의 회전동력이 직접적으로 구동축(340)을 통해 발전기(320)에 전달되어, 그 회전동력에 의한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전작용을 수행하여 전력을 생산하게 된다.

여기서, 상기 발전기(320)는, 생산된 전력을 직류, 교류로 변환시키면서 한전에서 사용하는 양질의 전류로 공급되게 하는 인버터를 연결하는 것을 더 포함한다.

상기 인버터는 반도체 소자, 평활용 커패시터, 퓨즈, 방열판, 필터용 리액터 등으로 구성되며, 발전기(320)로부터 3상 교류 전력을 입력받아 내부 정류기를 통해 직류 전력으로 변환하게 하고, 정류된 직류 전력을 공급받아 교류전력으로 변환시켜 계통과 연계하여 안정된 양질의 전력을 공급하는 기능을 한다.

이때, 상기 인버터는 제어부를 갖는 것이 바람직한 것이며, 제어부는 소수력발전장치(1)를 총괄적으로 제어하는 부분으로 계통 연계형 인버터 방식으로 제어하며, 인버터 전자접촉기(MC)의 구동 신호를 발생시키고, 각각의 입출력 MCCB, 온도센서, 퓨즈 등의 접점 상태를 감시하는 기능을 한다.

한편, 상기 인버터는 발전기(320)의 출력을 조정하는 구조를 갖기 때문에 이에 따라 기존 소수력발전설비에서 런너 또는 가이드 베인과 같은 구조물의 날개 각도를 임의로 조정해야하는 구조가 필요 없게 됨에 따라 일체형의 회전자(200) 구성을 본 발명에 적용할 수 있는 것이다.

또한, 상기 발전기수단(300)은; 구동축(340)의 회전을 안내하는 베어링 유닛(310)을 더 포함한다.

상기 베어링 유닛(310)은 내측에 복수의 베어링이 베어링 몸체(311) 내부에 마련된 구조이며, 상기 베어링 몸체(311)는 구동축(340)에 관통된 상태에서 내부에 마련된 베어링이 구동축(340)을 지지하게 결합되는 구조이다.

이때, 상기 베어링 유닛(310)은 상기 연결관(140)의 내부로 회전자(200)에 인접한 측에 구비되고, 또한 상기 유입관(120)의 외측으로 연결관(140)이 노출된 끝 부분에 결합되어 구동축(340)을 지지하게 한다

또한, 상기 발전기수단(300)은; 상기 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)으로 냉각수가 냉각유로(332)를 이용해 지속적으로 순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각작용으로 상기 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 온도를 조절하는 냉각수단(330)을 더 포함한다.

여기서, 본 발명의 기본 실시 예에 따른 냉각수단(330)은; 분기 플레이트(331), 냉각유로(332)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 냉각수단(330)은; 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 양쪽 끝에 중공의 원판으로 각각 결합되되, 그 안쪽에 링 형상의 공급홀(334a) 및 다수의 분기홀(334b)이 마련되며, 냉각수를 상기 공급홀(334a)을 이용해 공급한 후 다수의 분기홀(334b)을 이용해 분기시키는 한 쌍의 분기 플레이트(331)를 더 포함한다.

상기 분기 플레이트(331)는 적용되는 발전기(320) 또는 베어링 유닛(310)의 측단 크기에 대응되는 플레이트로 중앙에 관통 구멍을 갖도록 제작되되, 그 분기 플레이트(331)는 2중으로 접하는 내판(334) 및 외판(333)으로 이루어지며, 상기 내판(334)으로 링 형상의 공급홀(334a)이 마련되고, 그 공급홀(334a)의 내측에는 냉각유로(332) 각각이 연결되는 다수의 분기홀(334b)이 마련된 구조이다.

상기 외판(333)에는 상기 공급홀(334a)에 연결되어 냉각수를 공급 또는 배출되게 하는 냉각수홀(333a)이 형성되어 있다.

또한, 상기 냉각수단(330)은; 상기 한 쌍의 분기 플레이트(331) 사이에서 양단이 상기 분기홀(334b)에 각각 연결되어 분기된 냉각수가 개별적 공급되되, 상기 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 둘레에서 냉각작용을 하는 냉각유로(332)를 더 포함한다.

상기 냉각유로(332)는 그 적용되는 대상에 따라 발전기(320)에 적용되는 경우 파이프 형태로 제작되고, 베어링 유닛(310)에 적용되는 경우 상기 베어링 몸체(311)에 직접적으로 관통 구멍으로 형성된 형태로 이루어지며, 상기 냉각유로(332)에 냉각수가 공급되면 냉각수에 의한 열교환 작용으로 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 열을 낮추는 기능을 한다.

여기서 상기 냉각유로(332)는, 냉각수가 공급되는 쪽은 내경이 크고, 그 반대쪽으로 냉각수가 배출되는 측은 내경이 작게 형성되는 것을 더 포함한다.

상기 냉각유로(332)가 냉각수가 최초 공급되는 앞쪽은 내경이 크고, 그 뒤쪽으로 냉각수가 배출되는 측은 내경이 작게 형성됨으로 냉각유로(332) 내부로 냉각수가 만수를 유지할 수 있게 된다.

또한, 상기 냉각유로(332)에 냉각수를 공급하는 측에 전동 밸브를 설치하고, 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)에 온도 센서를 설치하여, 그 온도 센서가 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 온도를 감지하여 송출되는 신호를 기반으로 전동 밸브의 개폐량을 조절하여 냉각수의 공급량을 조정하고, 냉각수의 공급량에 따라서 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 온도가 조절되게 된다.

이때, 상기 전동 밸브는 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있고, 상기 온도 센서는 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 본체에 설치되어 온도를 간접적으로 측정하거나, 또는 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)에 흐르는 냉각수의 온도를 직접적으로 측정할 수 있도록 설치된다.

따라서 본 발명은 냉각수단(330)의 구조가 더 부가됨에 따라 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 외부 표면으로 냉각수가 냉각유로(332)을 이용해 지속적으로 순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각을 수행할 수 있어 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)이 일정한 온도로 유지되기 때문에 발전기(320)의 내부 영구자석의 자성이 감소하거나 자성이 완전히 사라지는 것을 방지하고, 베어링 유닛(310)의 윤활 기능이 떨어지거나 마찰력이 커지는 것을 방지하게 된다.

한편, 도 4는 본 발명에 따른 외장형 인라인스크류 소수력발전장치의 작동 상태를 나타낸 도면이다.

이에 따르면, 전술한 구조로 이루어진 소수력발전장치(1)는 정수 및 하수처리장과 같은 수처리 시설 또는 소하천 등에서 물이 유동하는 관로(10)의 중간에 직렬 연결 관로(100)의 유입관(120) 및 출수관(130)을 이용해 설치하여 물이 상기 직렬 연결 관로(100)의 직관(110) 내부로 유입되게 한다.

상기와 같이 소수력발전장치(1)가 설치되면 물은 최초 유입관(120)으로 유입되며, 유입된 물은 직관(110)을 통해 안내되면서 회전자(200), 가이드 베인(400)을 통과 후 출수관(130)을 통해 다시 관로(10)에 복귀하는 과정에서 상기 직관(110)의 내부로 흐르는 물에 수압이 형성되게 된다.

여기서 상기 직관(110)에 위치한 회전자(200)는 흐르는 물의 수압에 의해 복수의 회전자 날개(230)가 영향을 받아 회전작동하며, 그 회전자(200)의 회전작동에 의한 운동에너지는 구동축(340), 커플링(350)을 통해 발전기(320)에 전달된 후 발전기(320)에서 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전작용을 수행함으로 전력이 생산되게 된다.

이때, 상기 발전기(320)에 의해 생산된 전력은 인버터를 통해 교류에서 직류, 다시 직류에서 교류로 변화시키고, 최종적으로 출력되는 전력은 반도체 기술을 이용하여 직류를 교류로 변환하므로 기존에 한전에서 사용하는 전압, 전류, 헤르쯔, 위상차등을 맞출 수 있어 양질의 전류를 공급하게 되는 것이다.

이상 설명한 바와 같이. 본 발명은 특정의 바람직한 실시 예를 예시한 설명과 도면으로 표현하였으나, 여기서 사용하는 용어들은 본 발명을 용이하게 설명하기 위함이며, 이 용어들에 대한 의미 한정이나, 특허청구범위에 기재된 범위를 제한하기 위함이 아니며,

본 발명은 상기한 실시 예에 따른 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경 및 개조, 수정 등이 가능할 수 있음을 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

1; 소수력발전장치 100; 직렬 연결 관로
110; 직관 120; 유입관
130; 출수관 140; 연결관
200; 회전자 210; 회전자 내륜
220; 회전자 외륜 230; 회전자 날개
300; 발전기수단 310; 베어링 유닛
320; 발전기 330; 관형 냉각수단
400; 가이드 베인 410; 가이드 내륜
420; 가이드 외륜 430; 가이드 날개

Claims (10)

1. 수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치로서,
   물이 흐르는 관로(10) 사이에 유입관(120) 및 출수관(130)을 이용해 연결설치되되, 상기 유입관(120) 및 출수관(130) 사이에 마련된 직관(110)의 내부로 관로(10)의 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 직렬 연결 관로(100)와;
   상기 직관(110)의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하는 회전자(200)와;
   상기 직렬 연결 관로(100)의 외부로 인접하게 설치되되, 상기 회전자(200)의 회전동력이 구동축(340)을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기(320)를 이용해 전력을 생산하는 발전기수단(300)을 포함하여 구성되고,
   상기 회전자(200)는, 구동축(340)에 축 결합되는 회전자 내륜(210)과, 상기 회전자 내륜(210)의 둘레로 상기 직관(110)의 내벽과 동일 직경의 내경을 갖는 회전자 외륜(220) 및, 상기 회전자 내륜(210)과 회전자 외륜(220) 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 회전자 날개(230)를 포함하고,
   상기 발전기수단(300)은, 구동축(340)의 회전을 안내하는 베어링 유닛(310) 및, 회전자(200)의 회전동력에 의한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 작용으로 전력을 생산하는 발전기(320)를 더 포함하고,
   상기 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)으로 접촉되어 마련된 냉각유로(332)를 이용해 냉각수가 지속적으로 순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각작용으로 상기 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 온도를 조절하는 냉각수단(330)을 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 직렬 연결 관로(100)는,
   직관(110)과;
   상기 직관(110)의 유로와 직각으로 통하게 관 이음 되면서 상기 관로(10)에 연결되어 물이 유입되는 유입관(120)과;
   상기 유입관(120)의 반대쪽에서, 상기 직관(110)의 유로와 직각으로 통하게 관 이음 되면서 상기 관로(10)에 연결되어 직관(110)으로 흐르는 물이 배출되는 출수관(130)과;
   상기 유입관(120)의 측면으로 기밀이 유지되게 관통삽입되어 고정되되, 내측으로 구동축(340)의 일부가 삽입되어 회전자(200)와 발전기(320)를 직렬로 상호 연결되게 하는 연결관(140)을 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 냉각수단(330)은,
   발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 양쪽 끝에 중공의 원판으로 각각 분기 플레이트(331)가 결합되되, 상기 분기 플레이트(331)의 안쪽에 링 형상의 공급홀(334a) 및 다수의 분기홀(334b)이 마련되며, 냉각수를 상기 공급홀(334a)을 이용해 공급한 후 다수의 분기홀(334b)을 이용해 분기시키는 한 쌍의 분기 플레이트(331)와;
   상기 한 쌍의 분기 플레이트(331) 사이에서 양단이 상기 분기홀(334b)에 각각 연결되어 분기된 냉각수가 개별적 공급되되, 상기 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 외부 둘레에서 냉각작용을 하는 냉각유로(332)를 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 냉각유로(332)는, 냉각수가 공급되는 쪽은 내경이 크고, 냉각유로(332)의 냉각수가 배출되는 측은 내경이 작게 형성되는 것을 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 회전자(200)는, 공급되는 물의 방향을 전환하면서, 균등한 수압과 유량의 물이 회전자(200)의 전체에 일정한 방향으로 고르게 유입되게 안내하는 가이드 베인(400)을 더 포함하고,
   상기 가이드 베인(400)은, 상기 회전자 내륜(210)과 인접하게 위치한 가이드 내륜(410)과, 상기 가이드 내륜(410)의 둘레로 상기 직관(110)의 내벽과 동일 직경의 내경을 갖으면서 상기 직관(110)의 내벽에 고정되는 가이드 외륜(420) 및, 상기 가이드 내륜(410)과 가이드 외륜(420) 사이에서 방사형으로 고정결합되어 유입되는 물을 안내하는 복수의 가이드 날개(430)를 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 회전자 날개(230) 또는 가이드 날개(430)는, 스크류 형태로 유선형으로 제작되되, 물의 최초 유입되는 부분은 두껍고, 그 반대로 물이 빠져나가는 부분은 얇게 형성된 것을 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 발전기(320)는, 생산된 전력을 직류, 교류로 변환시키는 인버터를 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 냉각유로(332)에 냉각수를 공급하는 측에 전동 밸브를 설치하고, 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)에 온도 센서를 설치하여, 그 온도 센서가 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 온도를 감지하여 송출되는 신호를 기반으로 전동 밸브의 개폐량을 조절하여 냉각수의 공급량을 조정하고, 냉각수의 공급량에 따라서 발전기(320) 및 베어링 유닛(310)의 온도가 조절되는 것을 더 포함하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.
10. 제6항에 있어서,
    상기 가이드 날개(430)는, 결합 방향이 회전자 날개(230)의 결합 방향의 반대로 대향하여 배치되는 것을 더 포함하고,
    상기 가이드 날개(430)를 통해 비스듬하게 유입되는 물이 회전자 날개(230)의 일면 전체에 부딪혀 굽이지면서 흐르는 작용으로 회전자 날개(230)에 물의 운동에너지가 전달되는 것을 특징으로 하는 외장형 인라인스크류 소수력발전장치.

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