KR101668980B1 - 수직형 인라인 소수력발전장치 - Google Patents

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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 수직형 인라인 소수력발전장치에 관한 것이다.
이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은; 수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 수직형 인라인 소수력발전장치로서, 물이 흐르는 관로(10) 사이에 연결설치되되, 양측에 물의 흡입구(101) 및 배출구(102)가 각각 마련되어 내부로 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 관로 하우징(100)과; 상기 관로 하우징(100)의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하는 회전자(200)와; 상기 관로 하우징(100)의 상부에 설치되되, 상기 회전자(200)의 회전동력이 구동축(310)을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기(330)를 이용해 전력을 생산하는 발전기수단(300)을 포함하여 구성되고, 상기 회전자(200)는, 구동축(310)에 축 결합되는 내륜(210)과, 상기 내륜(210)의 둘레에 마련되며 상기 배출구(102)와 동일 직경의 단턱 유입부(240)가 배출구(102)에 끼워지면서 상기 단턱 유입부(240) 안쪽으로 물이 유입되게 하는 외륜(220) 및, 상기 내륜(210)과 외륜(220) 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 날개(230)를 포함하여 구성된다.

Description

수직형 인라인 소수력발전장치 {vertical inline 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 수직형 인라인 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 소수력발전장치에서 사용하는 회전자(런너)는 복수의 날개(블레이드)가 회전축 둘레로 단순 결합되는 프로펠러(propeller) 형상으로 이루어지기 때문에 물의 압력에 의해 회전자의 날개에 하중이 작용하면 회전과정에서 진동을 야기하여 물의 압력이 상쇄될 수 있음에 따라 기존의 소수력발전장치는 물의 운동에너지를 완전히 활용하지 못하는 손실이 생겨 발전효율이 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.
또한, 종래의 경우 발전기의 구동축이 관로에 관통된 부분으로 메카니칼 씰 등에 의해 기밀이 유지되는데 그 부분으로 누수가 발생하면 이를 감지할 수 있는 감지 장치가 없는 실정이기 때문에 누수의 진행을 곧바로 처리하지 못해 누수에 의해 발전기 등의 전기부품들이 파손될 수 있는 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 회전자를 물의 흐름에 의한 압력에 복수의 날개가 움직이지 않도록 고정형 날개를 갖는 일체형 구조로 제작하는 등 회전자를 개선함에 따라 회전자가 회전하는 과정에서 진동이 발생하지 않음에 따라 물의 운동에너지를 완전히 활용할 수 있어 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.
또한, 본 발명은 발전기의 구동축이 설치된 하우징과 회전자가 설치된 하우징 사이로 누수를 감지하는 센서를 적용함에 따라 누수가 발생하면 이를 감지하여 곧바로 처리가능하게 하여 발전기 등의 전기부품들 및 축, 베어링과 같은 기계적 부품들이 파손되는 것을 방지하도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은;
수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 수직형 인라인 소수력발전장치로서,
물이 흐르는 관로 사이에 연결설치되되, 양측에 물의 흡입구 및 배출구가 각각 마련되어 내부로 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 관로 하우징과;
상기 관로 하우징의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하는 회전자와;
상기 관로 하우징의 상부에 설치되되, 상기 회전자의 회전동력이 구동축을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기를 이용해 전력을 생산하는 발전기수단을 포함하여 구성되고,
상기 회전자는, 구동축에 축 결합되는 내륜과, 상기 내륜의 둘레에 마련되며 상기 배출구와 동일 직경의 단턱 유입부가 배출구에 끼워지면서 상기 단턱 유입부 안쪽으로 물이 유입되게 하는 외륜 및, 상기 내륜과 외륜 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 인라인 소수력발전장치를 제공한다.
이러한 본 발명에 따르면, 소수력발전장치의 회전자를 축 연결을 위한 내륜 및, 내륜의 둘레로 유입되는 물이 배수되는 외륜을 마련하고, 그 내륜과 외륜 사이에 복수의 날개를 고정시켜 이루어진 회전자를 구성함으로써 고정형 날개 구조에 의해 물의 압력에 의해 복수의 날개에 작용하는 하중을 지지할 수 있어 회전자가 회전작동하는 과정에서 진동이 발생하지 않음에 따라 물의 운동에너지를 완전히 활용할 수 있어 발전 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 소수력발전장치의 발전기 및 베어링 유닛의 외부 표면으로 냉각수가 냉각라인을 이용해 지속적으로 순환되면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각을 수행하는 냉각수단을 설치구성함으로써 발전기 및 베어링 유닛이 일정한 온도로 유지됨에 다라 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.
또한, 발전기의 구동축이 설치된 하우징과 회전자가 설치된 하우징 사이로 누수를 감지하는 감지센서를 설치함으로써 회전자가 설치된 하우징에 누수가 발생하면 이를 감지하여 곧바로 처리가능함에 따라 발전기 등의 전기부품들 및 구동축 베어링과 같은 기계적 부품들이 파손되는 것을 방지할 수 있는 또 다른 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수직형 인라인 소수력발전장치에 대한 각부 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 수직형 인라인 소수력발전장치의 작동 상태의 도면.
본 발명에 따른 수직형 인라인 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 수직형 인라인 소수력발전장치를 설명하기 위해 도시한 도면들이다.
이에 따른 소수력발전장치(1)를 개략적으로 살펴보면, 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 관로 하우징(100)과; 관로 하우징(100)의 내부 수압을 이용해 회전작동하는 회전자(200)와; 회전자(200)의 회전동력으로 작동하는 발전기(330)를 이용해 전력을 생산하는 발전기수단(300)을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명의 기본 구성의 실시 예로서, 제1 실시 예에 따른 수직형 인라인 소수력발전장치의 각부 구성을 도 1 내지 도 3을 참고로 구체적으로 설명한다. 도 1은 제1 실시 예에 따른 소수력발전장치의 사시 상태의 측단면도, 도 2는 제1 실시 예에 따른 소수력발전장치의 측단면도, 도 3은 제1 실시 예에 따른 소수력발전장치 중 회전자의 저부 사시도이다.
먼저 관로 하우징(100)은;
물이 흐르는 관로(10) 사이에 연결설치되되, 양측에 물의 흡입구(101) 및 배출구(102)가 각각 마련되어 내부로 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되게 하는 것이다.
이와 같은 관로 하우징(100)은 내구성이 우수하면서, 물에 의한 부식에 강한 금속 재질로 제작하거나, 표면에 부식방지 처리를 수행할 수 있으며, 바람직하게는 정수 및 하수처리장과 같은 수처리 시설 또는 소하천 등에서 물이 흐르는 관로(10) 중간 사이에 관로 하우징(100)의 흡입구(101) 및 배출구(102)를 관 이음으로 연결하여 설치사용한다.
이때, 상기 관로 하우징(100)은 동일 선상의 흡입구(101) 및 배출구(102)가 양측에 각각 마련되고, 상기 흡입구(101)와 배출구(102) 사이에서 수용 공간(103)이 마련되면서, 그 수용 공간(103)의 측방이 흡입구(101)와 연결되고 하방이 배출구(102)가 연결되어 이루어지며, 상기 수용 공간(103)에 회전자(200)가 삽입되게 된다.
상기 관로 하우징(100)은 유선형으로 제작됨에 따라 상기 흡입구(101)를 통해 유입되는 물이 수용 공간(103)을 거쳐 배출구(102)로 배출되는 과정에서 병목형상에 의한 수압이 형성될 수 있게 한다.
이때, 상기 흡입구(101)와 배출구(102)의 측단에는 관로(10)와 관 이음될 수 있게 하는 플랜지 구조가 마련될 수 있다.
또한, 상기 흡입구(101)는, 유입되는 물이 회전자(200) 측으로 일정한 방향으로 흘러가도록 안내하는 유선형 가이드(101a)를 더 포함한다.
상기 유선형 가이드(101a)는 흡입구(101) 측에 유선형으로 돌출 형성되어 물의 흐름을 안내하는 기능을 수행한다.
본 발명의 기본 실시 예에 따른 관로 하우징(100)은; 연결 케이싱(110), 상부 프레임(120), 감지센서(130)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들면, 상기 관로 하우징(100)은; 상기 회전자(200)가 삽입된 부분의 상측에 고정결합되며, 내부에 구동축(310)이 삽입되면서 상기 회전자(200)와 구동축(310)을 상호 연결되게 하는 연결 케이싱(110)을 더 포함한다.
상기 연결 케이싱(110)은 내부에 공간을 갖는 원통 함체로 제작되며, 상하단 중앙에 관통 구멍이 형성되고, 상단에는 후술하는 베어링 유닛(320)이 결합되고, 하단에는 구동축(310)의 기밀을 유지하기 위한 메카니칼씰이 결합됨이 바람직한 것이다.
상기 연결 케이싱(110)은 관로 하우징(100)의 상부 즉, 회전자(200)가 삽입되는 수용 공간(103)을 밀폐하듯이 막아서 볼트체결로 고정결합되며, 그 연결 케이싱(110)과 관로 하우징(100) 사이로 누수를 막기 위해 기밀을 유지하는 오링, 패킹 부재등이 구비될 수 있다.
이때, 상기 연결 케이싱(110)은 그 내부로 구동축(310)이 수직으로 관통삽입되면서 상기 구동축(310)이 회전자(200)와 발전기(330)를 상호 연결할 수 있게 하고, 더불어 상기 구동축(310)을 지지하게 한다.
또한, 상기 관로 하우징(100)은; 상기 연결 케이싱(110)의 상단에 고정결합된 상태에서 상부에 발전기(330)가 설치되고, 상기 발전기(330)를 내부에 마련된 커플링(350)을 이용해 구동축(310)과 연결시켜 지지하는 상부 프레임(120)을 더 포함한다.
상기 상부 프레임(120)은 상판(121) 및 하판(122)이 서로 이격되어 지지되는 프레임으로 제작되며, 상기 하판(122)은 연결 케이싱(110)의 상단에 볼트 체결로 고정결합되고, 상기 상판(121)은 후술하는 발전기수단(300)의 발전기(330)가 설치되는 구조이다.
이때, 상기 상부 프레임(120)의 내부에는 축 연결을 위한 커플링(350)이 결합되어 상기 커플링(350)의 상부는 발전기(330)가 체결되고, 상기 커플링(350)의 하부는 구동축(310)이 체결됨으로 상기 발전기(330)와 구동축(310)을 커플링(350)을 이용해 상호 연결하게 된다.
또한, 상기 관로 하우징(100)은; 상기 연결 케이싱(110)과 관로 하우징(100) 사이로 구비되되, 누수를 감지하면 그 감지된 전기 신호를 송출하는 감지센서(130)를 더 포함한다.
상기 감지센서(130)는 물을 직접적으로 감지하면 전기신호를 송출할 수 있는 전기 부품이며, 상기 관로 하우징(100)과 연결 케이싱(110) 사이에 볼트 체결로 결합된 상태에서 상기 연결 케이싱(110)의 내부에 2개의 접점을 설치하여 물의 누수 발생시 누수를 감지할 수 있게 하고, 그 누수에 대한 전기신호를 송출하게 된다.
이때, 상기 감지센서(130)는 소수력발전장치(1)의 제어부에 전기적으로 연결됨으로 제어부를 이용해 감지센서(130)의 송출된 전기신호를 소리, 불빛으로 변환시킴에 다라 작업자가 소리, 육안 등으로 식별할 수 있게 한다.
따라서 본 발명은 감지센서(130)의 구조가 부가됨에 따라 회전자(200)가 설치된 관로 하우징(100)으로부터 누수가 발생하면 이를 감지센서(130)가 직접적으로 감지하여 곧바로 처리가능함에 따라 발전기(330) 등의 전기부품들 및 구동축(310)의 베어링 유닛(320)과 같이 기계적 부품들이 파손되는 것을 방지하게 된다.
그리고, 상기 회전자(200)는;
상기 관로 하우징(100)의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하며, 그 회전작동에 의한 운동에너지를 발전기수단(300)에 전달시켜 발전기(330)를 이용해 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.
이때, 상기 회전자(200)는 상기 관로 하우징(100)의 수용 공간(103) 내부에 삽입된 상태에서 후술하는 구동축(310)에 축 결합되어 키 구조로 고정됨으로 수압에 의해 회전자(200)가 회전하면 구동축(310)을 통해 회전운동을 전달할 수 있게 된다.
본 발명의 기본 실시 예에 따른 회전자(200)는; 내륜(210), 외륜(220), 복수의 날개(230)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들면, 상기 회전자(200)는; 구동축(310)에 축 결합되는 내륜(210)과, 상기 내륜(210)의 둘레에 마련되며 상기 배출구(102)와 동일 직경의 단턱 유입부(240)가 배출구(102)에 끼워지면서 상기 단턱 유입부(240)를 통해 물이 배출되게 하는 외륜(220) 및, 상기 내륜(210)과 외륜(220) 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 날개(230)를 포함한다.
상기 내륜(210)은, 중앙에 구동축(310)이 관통 삽입되는 원판 링으로 제작되며, 상기 내륜(210)은 구동축(310)이 삽입되는 부분으로 키 결합을 위한 키 홈이 형성되어 상기 내륜(210)이 구동축(310)과 동일한 회전을 할 수 있게 한다.
상기 외륜(220)은, 내륜(210)의 둘레에 일정간격 이격된 중공의 판형으로 내부 측방에 물이 유입되게 하는 유로홀(241)이 마련되어 제작되며, 하단으로 상기 관로 하우징(100)의 배출구(102)와 동일 직경의 단턱 유입부(240)가 돌출 형성된 상태에서 상기 단턱 유입부(240)가 배출구(102)의 안쪽 상방에 끼워짐으로 흡입구(101)를 통해 유입된 물이 단턱 유입부(240)의 내부를 통해 배출구(102)로 배출되게 한다.
이때, 상기 단턱 유입부(240)가 배출구(102)와 동일 직경으로 끼워져 지지됨으로 배출구(102) 측으로 배출되는 물이 원활하게 흐를 수 있게 된다.
상기 단턱 유입부(240)가 배출구(102) 측으로 끼워져 지지되는 면에는 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.
더욱이, 상기 회전자(200)의 유로홀(241)을 통해 물이 유입되면서 단턱 유입부(240)를 통해 배출됨으로 회전자(200) 내부로 구비된 복수의 날개(230)에 수압을 작용시켜 회전될 수 있게 하고, 상기 복수의 날개(230)를 통과한 물은 단턱 유입부(240)를 통해 배출되면서 상기 배출구(102)로 흐르게 된다.
상기 복수의 날개(230)는, 복수의 판재가 상기 내륜(210) 및 외륜(220) 사이의 이격 공간에 삽입되며, 상기 내륜(210) 및 외륜(220)에 위치한 날개(230)의 측면에 각각 용접으로 고정되거나, 또는 주형을 이용해 회전자(200) 전체를 단일체의 주물로 제작할 수 있다.
이때, 상기 복수의 날개(230)가 내륜(210)과 외륜(220) 사이에 고정되는 구조를 갖음에 따라 날개(230)에 불균형의 힘이 작용하여도 외륜(220)에 마련된 단턱 유입부(240)의 지지작용에 의해 진동이 발생하지 않으며, 외륜(220)이 날개(230)와 함께 회전함으로 유입되는 물의 압력은 전부 발전에 사용할 수 있다.
한편, 상기 날개(230)는, 물의 최초 유입되는 부분은 두껍고, 그 반대로 물이 빠져나가는 부분은 얇게 형성시킴에 따라 날개(230)에 물의 압력이 보다 효율적으로 전달될 수 있게 한다.
또한, 상기 날개(230)는, 내륜(210)에 인접한 측은 두껍고, 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 날개(230)에 물의 압력이 효율적으로 전달되면서 유체 흐름이 원활하게 되는 것이다.
따라서 본 발명의 회전자(200)는 내,외륜(220) 및 날개(230)의 구조가 더 부가됨에 따라 고정형 날개(230) 구조에 의해 물의 압력에 의해 복수의 날개(230)에 작용하는 하중을 지지할 수 있어 회전자(200)가 회전작동하는 과정에서 진동이 발생하지 않음에 따라 물의 운동에너지를 완전히 활용하여 발전 효율이 향상되게 된다.
그리고, 상기 발전기수단(300)은;
상기 관로 하우징(100)의 상부에 설치되되, 상기 회전자(200)의 회전동력이 구동축(310)을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기(330)를 이용해 전력을 생산하면서, 생산된 전력을 공급하기 위한 것이다.
이와 같은 발전기수단(300)은 외부에 설치됨으로 빗물과 같은 수분에 의한 부식을 방지하는 재질로 제작하거나, 표면에 부식 방지 처리가 수행될 수 있으며, 발전기(330)에서 열이 발생함으로 내열성의 특성을 갖는 것이 바람직한 것이다.
본 발명의 기본 실시 예에 따른 발전기수단(300)은; 구동축(310), 발전기(330), 베어링 유닛(320), 냉각수단(340)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들면, 상기 발전기수단(300)은; 상기 회전자(200)와 발전기(330)를 축 연결하여 회전자(200)의 회전동력을 발전기(330)에 전달하는 구동축(310)을 더 포함한다.
상기 구동축(310)은 환봉으로 제작되며, 상기 연결 케이싱(110)의 내부에 수직으로 관통삽입됨에 따라 상기 구동축(310)의 상측 부분은 상기 연결 케이싱(110)의 상부로 관통되면서 상기 상부 프레임(120)의 내부에 위치되고, 그 구동축(310)의 하측 부분은 연결 케이싱(110)의 하부로 관통되면서 상기 관로 하우징(100)의 수용 공간(103)에 삽입된 회전자(200)에 축 결합되어 연결되게 된다.
이때, 상기 구동축(310)의 상부는 상기 상부 프레임(120)에 구비된 커플링(350)을 이용해 발전기(330)와 연결됨으로 회전자(200)의 회전작동에 의한 운동에너지를 발전기(330)에 전달할 수 있게 된다.
또한, 상기 발전기수단(300)은; 회전자(200)의 회전동력에 의한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 작용으로 구동하면서 전력을 생산하는 발전기(330)를 더 포함한다.
상기 발전기(330)는 영구자석동기발전기로 기존의 발전장치에서 널리 사용하는 것임으로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이때, 상기 발전기(330)는 상기 상부 프레임(120)의 상단에 볼트체결로 고정설치되어 외부에 노출되며, 상기 상부 프레임(120)의 내부로 일부 노출된 구동축(310)에 커플링(350)을 이용해 연결됨으로 회전자(200)의 회전동력이 직접적으로 구동축(310)을 통해 발전기(330)에 전달되어, 그 회전동력에 의한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전작용을 수행하여 전력을 생산하게 된다.
여기서, 상기 발전기(330)는, 생산된 전력을 직류, 교류로 변환시키면서 한전에서 사용하는 양질의 전류로 공급되게 하는 인버터가 연결하는 것을 더 포함한다.
상기 인버터는 반도체 소자, 평활용 커패시터, 퓨즈, 방열판, 필터용 리액터 등으로 구성되며, 발전기(330)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 제어부에 연결됨이 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.
또한, 상기 발전기수단(300)은; 구동축(310)의 회전을 안내하는 베어링 유닛(320)을 더 포함한다.
상기 베어링 유닛(320)은 내측에 복수의 베어링이 베어링 몸체(321) 내부에 마련된 구조이며, 상기 베어링 몸체(321)는 구동축(310)에 관통된 상태에서 내부에 마련된 베어링이 구동축(310)을 지지하게 결합되는 구조이다.
이때, 상기 베어링 유닛(320)은 상기 연결 케이싱(110)의 상단에 관통된 상태에서 볼트체결에 의해 고정된 상태에서 상기 베어링 유닛(320)의 중앙에 구동축(310)이 관통되고, 상기 구동축(310)이 베어링 유닛(320)에 관통된 부분에는 기밀을 위한 메카니칼씰, 오링, 패킹 등의 구조물이 마련됨이 바람직한 것이다.
또한, 상기 발전기수단(300)은; 상기 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)으로 냉각수가 냉각유로(342)를 이용해 지속적으로 순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각작용으로 상기 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 온도를 조절하는 냉각수단(340)을 더 포함한다.
여기서, 본 발명의 기본 실시 예에 따른 냉각수단(340)은; 분기 플레이트(341), 냉각유로(342)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 냉각수단(340)은; 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 양쪽 끝에 중공의 원판으로 각각 결합되되, 그 안쪽에 링 형상의 공급홀(343a) 및 다수의 분기홀(343b)이 마련되며, 냉각수를 상기 공급홀(343a)을 이용해 공급한 후 다수의 분기홀(343b)을 이용해 분기시키는 한 쌍의 분기 플레이트(341)를 더 포함한다.
상기 분기 플레이트(341)는 적용되는 발전기(330) 또는 베어링 유닛(320)의 측단 크기에 대응되는 플레이트로 중앙에 관통 구멍을 갖도록 제작되되, 그 분기 플레이트(341)는 2중으로 접하는 내판(343) 및 외판(344)으로 이루어지며, 상기 내판(343)으로 링 형상의 공급홀(343a)이 마련되고, 그 공급홀(343a)의 내측에는 냉각유로(342) 각각이 연결되는 다수의 분기홀(343b)이 마련된 구조이다.
상기 외판(344)에는 상기 공급홀(343a)에 연결되어 냉각수를 공급 또는 배출되게 하는 냉각수홀(344a)이 형성되어 있다.
이때, 상기 분기 플레이트(341)에 의한 냉각수의 공급은 회전자(200)의 전단과 후단의 압력차에 의하여 냉각수가 공급되게 된다.
또한, 상기 냉각수단(340)은; 상기 한 쌍의 분기 플레이트(341) 사이에서 양단이 상기 분기홀(343b)에 각각 연결되어 분기된 냉각수가 개별적 공급되되, 상기 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 둘레에서 냉각작용을 하는 냉각유로(342)를 더 포함한다.
상기 냉각유로(342)는 그 적용되는 대상에 따라 발전기(330)에 적용되는 경우 파이프 형태로 제작되고, 베어링 유닛(320)에 적용되는 경우 상기 베어링 몸체(321)에 직접적으로 관통 구멍으로 형성된 형태로 이루어지며, 상기 냉각유로(342)에 냉각수가 공급되면 냉각수에 의한 열교환 작용으로 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 열을 낮추는 기능을 한다.
여기서 상기 냉각유로(342)는, 냉각수가 최초 공급되는 쪽은 내경이 크고, 그 반대쪽으로 냉각수가 배출되는 측은 내경이 작게 형성되는 것을 더 포함한다.
상기 냉각유로(342)가 냉각수가 최초 공급되는 앞쪽은 내경이 크고, 그 뒤쪽으로 냉각수가 배출되는 측은 내경이 작게 형성됨으로 냉각유로(342) 내부로 냉각수가 만수를 유지할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉각수단(340)은, 냉각유로(342)에 냉각수를 공급하는 측에 전동 밸브를 설치하고, 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)에 온도 센서를 설치하는 것을 더 포함하고, 상기 온도 센서가 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 온도를 감지하여 송출되는 신호를 기반으로 상기 전동 밸브의 개폐량을 조절하여 냉각수의 공급량을 조정하고, 냉각수의 공급량에 따라서 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 온도가 조정되도록 한다.
따라서 본 발명은 냉각수단(340)의 구조가 더 부가됨에 따라 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 외부 표면으로 냉각수가 냉각유로(342)을 이용해 지속적으로 순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각을 수행할 수 있어 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)이 일정한 온도로 유지되기 때문에 발전기(330)의 내부 영구자석의 자성이 감소하거나 자성이 완전히 사라지는 것을 방지하고, 베어링 유닛(320)의 윤활 기능이 떨어지거나 마찰력이 커지는 것을 방지하게 된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 수직형 인라인 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 관로 하우징(100)의 흡입구(101) 및 배출구(102)를 각각 관 이음으로 연결설치하여 물이 상기 관로 하우징(100)의 내부로 유입되게 한다.
상기와 같이 소수력발전장치(1)가 설치되면 물은 최초 흡입구(101)로 유입되며, 유입된 물은 흡입구(101)에 의해 안내되면서 수용 공간(103)에 위치한 회전자(200)를 통과한 후 상기 배출구(102)를 통해 다시 관로(10)에 복귀하는 과정에서 상기 관로 하우징(100)의 내부로 흐르는 물에 의한 수압이 형성되게 된다.
여기서 상기 수용 공간(103)에 위치한 회전자(200)는 흐르는 물의 수압에 의해 복수의 날개(230)가 영향을 받아 회전작동하며, 그 회전자(200)의 회전작동에 의한 운동에너지는 구동축(310), 커플링(350)을 통해 발전기(330)에 전달된 후 발전기(330)에서 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전작용을 수행함으로 전력이 생산되게 된다.
이때, 상기 발전기(330)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; 관로 하우징
110; 연결 케이싱 120; 상부 프레임
130; 감지센서 200; 회전자
210; 외륜 220; 내륜
230; 날개 240; 단턱 유입부
241; 유로홀 300; 발전기수단
310; 구동축 320; 베어링 유닛
330; 발전기 340; 냉각수단
350; 커플링

Claims (7)

  1. 수력을 이용해 발전하여 전력을 생산하는 수직형 인라인 소수력발전장치로서,
    물이 흐르는 관로(10) 사이에 연결설치되되, 양측에 물의 흡입구(101) 및 배출구(102)가 각각 마련되어 내부로 물이 유입되어 흐르면서 수압이 형성되는 관로 하우징(100)과;
    상기 관로 하우징(100)의 내부에 삽입되어 설치된 상태에서 수압을 이용해 회전작동하는 회전자(200)와;
    상기 관로 하우징(100)의 상부에 설치되되, 상기 회전자(200)의 회전동력이 구동축(310)을 이용해 전달되며, 그 회전동력으로 작동하는 발전기(330)를 이용해 전력을 생산하는 발전기수단(300)을 포함하여 구성되고,
    상기 회전자(200)는, 구동축(310)에 축 결합되는 내륜(210)과, 상기 내륜(210)의 둘레에 마련되며 상기 배출구(102)와 동일 직경의 단턱 유입부(240)가 배출구(102)에 끼워지면서 상기 단턱 유입부(240)를 통해 물이 배출되게 하는 외륜(220) 및, 상기 내륜(210)과 외륜(220) 사이에 방사형으로 고정결합된 복수의 날개(230)를 포함하며,
    상기 발전기수단(300)은, 구동축(310), 상기 구동축(310)의 회전을 안내하는 베어링 유닛(320) 및, 회전자(200)의 회전동력에 의한 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 작용으로 전력을 생산하는 발전기(330)를 더 포함하고,
    상기 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)에 접촉되어 마련된 냉각유로(342)를 이용해 냉각수가 지속적으로 순환하면서 냉각수의 열교환에 의한 냉각작용으로 상기 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 온도를 조절하는 냉각수단(340)을 더 포함하는 수직형 인라인 소수력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관로 하우징(100)은, 상기 회전자(200)가 삽입된 부분의 상측에 고정결합되며, 내부에 구동축(310)이 삽입되면서 상기 회전자(200)와 구동축(310)을 상호 연결되게 하는 연결 케이싱(110)을 더 포함하고,
    상기 연결 케이싱(110)과 관로 하우징(100) 사이로 구비되되, 누수를 감지하면 그 감지된 전기 신호를 송출하는 감지센서(130)를 더 포함하는 수직형 인라인 소수력발전장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수단(340)은, 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 양쪽 끝에 중공의 원판으로 각각 분기 플레이트(341)가 결합되되, 상기 분기 플레이트(341)의 안쪽에 링 형상의 공급홀(343a) 및 다수의 분기홀(343b)이 마련되며, 냉각수를 상기 공급홀(343a)을 이용해 공급한 후 다수의 분기홀(343b)을 이용해 분기시키는 한 쌍의 분기 플레이트(341)와;
    상기 한 쌍의 분기 플레이트(341) 사이에서 양단이 상기 분기홀(343b)에 각각 연결되어 분기된 냉각수가 개별적 공급되되, 상기 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 외부 둘레에서 냉각작용을 하는 냉각유로(342)를 더 포함하는 수직형 인라인 소수력발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유로(342)는, 냉각수가 공급되는 쪽은 내경이 크고, 냉각유로(342)의 냉각수가 배출되는 측은 내경이 작게 형성되는 것을 더 포함하는 수직형 인라인 소수력발전장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발전기(330)는, 생산된 전력을 직류, 교류로 변환시키는 인버터를 더 포함하는 수직형 인라인 소수력발전장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각유로(342)에 냉각수를 공급하는 측에 전동 밸브를 설치하고, 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)에 온도 센서를 설치하여, 그 온도 센서가 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 온도를 감지하여 송출되는 신호를 기반으로 전동 밸브의 개폐량을 조절하여 냉각수의 공급량을 조정하고, 냉각수의 공급량에 따라서 발전기(330) 및 베어링 유닛(320)의 온도가 조절되는 것을 더 포함하는 수직형 인라인 소수력발전장치.
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