KR101676695B1 - 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템은, 강의 폭방향을 가로질러 일단(一端)이 보(洑)의 일단 부분에 위치하도록 강바닥에 형성되어, 물의 흐름을 유도하게 되는 유도수로; 상기 유도수로의 단부(端部)에 이어져서 형성되어, 유도수로를 통해 유도된 물을 안내하게 되는 유입수로; 상기 유입수로에 설치되는 발전부를 구비하여 구성되며, 상기 발전부는 보를 따라 순차적으로 제1 내지 제3터빈으로 구성하여 다중으로 설치되며, 각 터빈은, 유입수로에서 낙하하는 물에 의해 회전하는 프로펠러; 상기 프로펠러의 상방에 설치되어, 유입수로에서 낙하하게 되는 물을 안내하는 가이드베인; 상기 유입수로의 상부에 설치되는 발전기; 상기 발전기와 가이드베인 및 프로펠러를 연결하는 샤프트; 상기 유입수로의 하방에 설치되어, 낙하하는 물을 하방으로 배출하는 배출관을 포함하여 구성되며, 제1 내지 제3터빈의 각 터빈마다 제1 내지 제3유입수로가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템 {Multi-hydropower generating system using inducing waterway}

본 발명은 다중 수력발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기간에 따라 강에 흐르는 유량의 차이가 크고 낙차가 적으며 강폭이 큰 지역이어서 일반적인 수력발전의 입지조건으로 적절하지 않은 지역에 적용 가능한, 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템에 관한 것이다.

전력을 생산하는 방법은 화력발전, 원자력발전, 수력발전, 태양열발전, 풍력발전, 조력발전 등이 있다. 화력발전 및 원자력발전은 열에 의해 발생한 증기로 발전기 내의 터빈을 회전시켜 전기를 발생시키는 방식인데, 화력발전은 석탄 또는 석유 등의 화석연료를 에너지원으로 사용하는 것으로 발전소의 건설비가 상대적으로 저렴하나, 화석연료의 매장량이 한정되어 있을 뿐만 아니라 화석연료가 연소하면서 공해를 배출하여 환경오염을 유발시키는 문제가 있다. 또, 원자력발전은 우라늄 등의 방사성 물질이 핵분열할 때 발생하는 막대한 양의 열을 에너지원으로 사용하는 것으로, 발전 용량은 크지만 핵연료의 사용에 따른 안전성과 발전과정에서 발생하게 되는 원자력 폐기물 등에 의한 환경오염 등의 문제점이 있다.

수력발전은 물의 낙차를 이용하여 물이 가지고 있는 물리적인 위치에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전방식인데, 발전 원가가 매우 저렴하지만, 자연적인 낙차를 가진 곳은 그다지 많지 않기 때문에 발전소가 건설될 수 있는 지역이 제한적이므로 인공축조 댐을 이용한 형태로 설치되었는데, 이러한 대규모 댐의 건설은 막대한 건설비가 소요될 뿐만 아니라 넓은 면적의 땅이 수몰되므로 지역주민 이주에 따른 사회적 문제와, 자연적인 물의 흐름을 지체시켜 생태계 파괴 및 각종 환경문제를 발생시키는 원인이 되므로 최근에는 댐 건설 자체를 관련 기관 및 단체에서 엄격하게 제약하고 있다.

지금까지 수력발전에 관하여 특허등록 제1003296호 "수차 및 이를 이용한 수력발전 구조물", 특허등록 제1061213호 "부력을 이용한 수력발전기관 및 수력발전 방법", 특허등록 제1396667호 "수력발전기용 수차" 등 다양한 기술이 출현하였다. 하지만, 지금까지 수력발전과 관련하여 출현한 기술들은 유량이 풍부하고 낙차가 커서 일반적인 수력발전을 위한 입지조건을 갖춘 지역에 설치하기 위한 것들이다. 따라서 유량과 낙차에 의존하는 기존의 수력발전은 유량 차이가 클 때는 유량에 맞춰 대응할 수가 없기 때문에 강의 폭이 크고, 갈수기와 평상시 및 홍수기에 각각 흐르는 강물의 유량 차이가 크며, 낙차가 작은 지역에 적용할 수가 없다는 것이 가장 큰 문제이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 강의 폭이 크고, 갈수기와 평상시 및 홍수기에 흐르는 강물의 유량 차이가 크며, 낙차가 작은 지역에서 강폭을 가로질러 유도수로(誘導水路)를 형성하고, 유도수로의 단부(端部)에 다중으로 배열한 터빈을 설치하여 발전함으로써 유량 차이에 능동적으로 대응하여 전력 회수를 최대화할 수 있는, 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템은, 강의 폭방향을 가로질러 일단(一端)이 보(洑)의 일단 부분에 위치하도록 강바닥에 형성되어, 물의 흐름을 유도하게 되는 유도수로; 상기 유도수로의 단부(端部)에 이어져서 형성되어, 유도수로를 통해 유도된 물을 안내하게 되는 유입수로; 상기 유입수로에 설치되는 발전부를 구비하여 구성되며, 상기 발전부는 보를 따라 순차적으로 제1 내지 제3터빈으로 구성하여 다중으로 설치되며, 각 터빈은, 유입수로에서 낙하하는 물에 의해 회전하는 프로펠러; 상기 프로펠러의 상방에 설치되어, 유입수로에서 낙하하게 되는 물을 안내하는 가이드베인(guide vane); 상기 유입수로의 상부에 설치되는 발전기; 상기 발전기와 가이드베인 및 프로펠러를 연결하는 샤프트; 상기 유입수로의 하방에 설치되어, 낙하하는 물을 하방으로 배출하는 배출관을 포함하여 구성되며, 제1 내지 제3터빈의 각 터빈마다 제1 내지 제3유입수로가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 유도수로의 상부와, 유도수로와 유입수로가 연결되는 부분에는 그물망이 각각 설치되어, 발전부로 자갈이나 이물질의 유입을 방지하도록 한다.

바람직하게는, 제1 내지 제3유입수로는 후방에 형성된 유입수로일수록 측벽의 높이가 높게 형성되며, 최후방에 형성된 유입수로를 지나서는 터빈으로 배수되지 못한 물을 흘려보내는 초과유량배수로가 형성되어 구성된다.

바람직하게는, 제1 내지 제3유입수로의 상부에는 발전기 및 배전반이 설치되어 있는 발전 및 배전함이 설치되어 구성된다.

수력발전에서 생산되는 전력은 수량과 낙차에 의해 결정되므로 수량이 많고 낙차가 큰 입지조건을 갖춘 지역에 발전설비를 설치하는 것이 일반적인데, 본 발명에 따른 다중 수력발전시스템은, 강의 폭이 크고, 갈수기와 평상시 및 홍수기에 흐르는 강물의 유량 차이가 크며, 낙차가 작은 지역에 적용하기 위한 것으로, 강폭을 가로질러 유도수로(誘導水路)를 형성하고, 유도수로의 단부(端部)에 다중으로 배열한 터빈을 설치하여 유량에 따라 작동되는 터빈의 개수를 달리하여 발전하는 시스템이기 때문에 수력발전의 입지조건으로 적절하지 않은 지역에 적용하여 전력 회수를 최대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다중 수력발전시스템은, 유도수로의 단부(端部)에 경사진 유입수로를 형성하여, 유량에 차이가 있더라도 터빈이 설치된 낙차구역에서는 균일한 유량을 유도할 수 있고, 유량에 따라 다중으로 설치된 터빈이 순차적으로 작동하여 유량에 따른 최대한의 전력을 회수할 수 있다.

도 1은 낙차가 작은 보(洑)가 설치된 강(江)의 사진이다.
도 2는 본 발명의 다중 수력발전시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a는 다중으로 배열된 터빈을 도시한 도면이다.
도 3b는 도 3a에서 발전 및 배전함의 일부를 제거하여 터빈이 배열된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 유입수로를 도시한 도면이다.
도 5는 터빈을 구성하는 구성요소를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 다중 수력발전시스템은, 강의 폭이 크고 기간에 따라 흐르는 강물의 유량 차이가 크며 또한 낙차가 작은 지역이어서, 일반적인 수력발전의 입지요건에 적절하지 않은 지역에 설치하여 유량에 따른 전력 회수를 최대화할 수 있게 했다는 점이다.

본 발명에 따른 다중 수력발전시스템은 강의 폭이 크고, 갈수기와 평상시 및 홍수기에 따라 흐르는 강물의 유량 차이가 크며, 또한 낙차가 작은 지역에 설치하기 위한 것으로, 강(10)의 폭방향으로 설치되어 있는 보(洑)(11)의 일단(一端) 부분에 설치되는데, 강바닥에 설치된 유도수로(12)와, 유도수로(12)의 끝에 연결되어 설치된 유입수로 및 유입수로에 설치되는 발전부(20)를 구비하여 설치된다.

유도수로(12)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 강(10)의 폭방향을 가로질러 일단(一端)이 보(洑)(11)의 일단 부분에 위치하도록 강바닥에 형성되어, 물의 흐름을 유도하게 되는 구성이다. 유도수로(12)는 상방이 개방된 형태로 단면(斷面)이 사각형 또는 반원형으로 형성되는데, 유도수로(12)가 형성된 방향은 강의 폭방향에 수직으로 형성할 수도 있지만, 폭방향에 대하여 약간 경사지도록 형성하는 것이 바람직하고, 강의 길이방향을 따라 일정 길이의 수로를 다수개 설치하여 유도수로(12)로 물이 모여서 발전부(20) 쪽으로 흐르도록 하는 것이 바람직하다.

유도수로(12)는 상방이 개방되어 있기 때문에 개방된 부분으로 쓰레기나 나뭇가지 등과 같은 이물질이나 자갈 등이 유입되지 못하도록 하기 위하여 일정 크기의 격자 형상을 갖는 그물망(121)을 설치하는 것이 바람직하다.

유입수로는 유도수로(12)의 단부(端部)에 이어져서 형성되어, 유도수로(12)를 통해 유도된 물을 발전부(20)로 안내하게 되는 부분이다. 발전부(20)가 하나의 터빈만 설치되는 것이 아니라 제1 내지 제3터빈(21, 22, 23)으로 구성되어 다중으로 설치되기 때문에 각 터빈(21, 22, 23)에 맞춰 유입수로도 제1 내지 제3유입수로(24, 25, 26)로 구분되어 설치되어 있고, 각 유입수로에는 터빈이 각각 설치되게 된다. 본 명세서에서는 터빈을 3개 설치한 것으로만 설명했지만, 현장 사정에 따라 아무런 기술적 어려움 없이 그 수는 얼마든지 더 늘리거나 줄일 수도 있으며, 그 수가 다르더라도 당연히 발명의 권리범위에 속한다.

유입수로는 유도수로(12)와 연결된 부분부터 약간 경사지도록 형성되었다가, 발전부의 터빈이 설치되는 부분은 경사지지 않고 평평한 형상이다. 유도수로(12)와 제1유입수로(24)가 연결되는 부분에도 격자 형상을 갖는 그물망을 설치하여, 혹시라도 유입수로(12)를 통해 이물질이나 자갈 등이 유입되지 못하도록 하는 것이 바람직하다.

제1 내지 제3유입수로(24, 25, 26) 각각의 평단면은 물이 유입되는 부분은 면적이 크고 터빈이 설치되는 부분으로 갈수록 면적이 작아지면서 경사지도록 형성되어 있고, 측벽(241)에 의해 물의 흐름이 유도되며, 발전부(20)는 유입수로의 끝부분에 설치되는데, 발전부(20)가 설치되는 부분의 유입수로 평단면은 원형이다. 이와 같이 유입수로로 물이 유입되는 부분이 경사지도록 형성되어 있기 때문에 유량이 작을 때에도 터빈이 설치된 부분으로는 균일한 유량을 유도하면서 유속을 빠르게 하여 발전효율을 더 높일 수 있게 된다.

제1 내지 제3유입수로(24, 25, 26)는 후방에 형성된 유입수로일수록 측벽의 높이가 높게 형성되어 있다. 즉, 제2유입수로(25)는 제1유입수로(24)의 후방에 형성되어 있으면서 제2유입수로의 측벽(251)은 제1유입수로의 측벽(241)보다 높이가 높고, 제3유입수로(26)는 제2유입수로(25)의 후방에 형성되어 있으면서 제3유입수로의 측벽(261)은 제2유입수로의 측벽(251)보다 높이가 높으며, 최후방에 형성된 제3유입수로(26)를 지나서는 터빈으로 배수되지 못한 물을 흘려보내는 초과유량배수로(27)가 형성되어 있다. 유입수로의 양측(보와 나란한 쪽을 말함)에는 물막이벽(28)이 각각 설치되어 있다.

따라서 유량이 작을 때는 제1유입수로(24)로만 물이 유입되어 제1터빈(21)만 작동하면서 발전하다가, 유량이 더 많아지면 제2유입수로(25)까지 물이 유입되어 제1 및 제2터빈(21, 22)이 작동하여 더 많은 전력을 생산하고, 유량이 더욱 많아지면 제3유입수로(26)까지 물이 유입되어 제1 내지 제3터빈(21, 22, 23) 모두가 작동하여 최대의 전력을 생산하게 되므로, 유량에 따라 전력 회수를 최대화할 수 있다.

발전부(20)는 보(11)를 따라 순차적으로 제1 내지 제3터빈(21, 22, 23)으로 구성하여 다중으로 설치된다. 각 터빈의 구성은 동일하므로 제1터빈(21)으로 설명하면, 제1터빈(21)은 프로펠러(212), 가이드베인(211), 발전기(213), 샤프트(214) 및 배출관(215)을 구비하여 구성되며, 그 크기는 모두 동일하게 할 수도 있고, 후방으로 갈수록 크기를 크게 하여 출력을 더 높일 수도 있다.

프로펠러(212)는 제1유입수로(24)에서 낙하하는 물에 의해 회전하게 되고, 가이드베인(guide vane)(211)은 프로펠러(212)의 상방에 설치되어 제1유입수로(24)에서 낙하하게 되는 물을 프로펠러(212) 쪽으로 안내하는 역할을 한다.

발전기(213)는 제1유입수로(24)의 상부에 설치되어 프로펠러(212)의 회전에 따라 회전하면서 전력을 생산하는 구성이고, 샤프트(214)는 발전기의 회전축인데, 샤프트(214)는 발전기(213)와 가이드베인(211) 및 프로펠러(212)를 연결하는 축이다.

배출관(draft tube)(215)은 가이드베인(211)의 하방에 설치되어 제1유입수로(24)에서 낙하하는 물을 하방으로 배출하는 관인데, 원기둥 형상과 같이 관의 직경이 동일하게 할 수도 있지만, 하방으로 갈수록 관의 직경이 커지도록 형성할 수도 있다. 제1유입수로(24)에서 낙하한 물이 강 하류로 흘러가는 물에 배출관(215)의 하단부가 잠기도록 설치하는 것이 바람직한데, 이와 같이 배출관(215)을 설치함으로써 프로펠러(212)의 회전속도를 더 빨라지게 할 수 있다.

제1유입수로(24)에 차있는 물의 상면과, 제1유입수로(24)에서 낙하한 물이 강 하류로 흘러가는 물의 상면 사이의 높이 차이가 수력발전의 발전량을 결정하는 중요한 요소 중의 하나인 낙차(head)가 된다.

제1 내지 제3유입수로(24, 25, 26)의 상부에는 발전기 및 배전반이 설치되어 있는 발전 및 배전함(29)이 설치되어 있는데, 발전 및 배전함(29)으로는 설비의 A/S 또는 점검을 위해 작업자가 들어가서 작업을 할 수 있는 공간이다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 강(江) 11 : 보(洑)
12 : 유도수로 121 : 그물망
20 : 발전부 21 : 제1터빈
211 : 가이드베인 212 : 프로펠러
213 : 발전기 214 : 샤프트
215 : 배출관
22 : 제2터빈 23 : 제3터빈
24 : 제1유입수로 25 : 제2유입수로
26 : 제3유입수로 27 : 초과유량배수로
28 : 물막이벽 29 : 발전 및 배전함

Claims (4)

1. 강의 폭방향으로 설치된 보(洑)의 일단 부분에 설치되는 수력발전시스템에 있어서, 상기 수력발전시스템은,
   강의 폭방향을 가로질러 일단(一端)이 보(洑)의 일단 부분에 위치하도록 강바닥에 형성되어, 물의 흐름을 유도하게 되는 유도수로;
   상기 유도수로의 단부(端部)에 이어져서 형성되어, 유도수로를 통해 유도된 물을 안내하게 되는 유입수로;
   상기 유입수로에 설치되는 발전부;
   를 구비하여 구성되며, 상기 발전부는 보를 따라 순차적으로 제1 내지 제3터빈으로 구성하여 다중으로 설치되며,
   상기 제1 내지 제3터빈의 각 터빈은,
   유입수로에서 낙하하는 물에 의해 회전하는 프로펠러;
   상기 프로펠러의 상방에 설치되어, 유입수로에서 낙하하게 되는 물을 안내하는 가이드베인(guide vane);
   상기 유입수로의 상부에 설치되는 발전기;
   상기 발전기와 가이드베인 및 프로펠러를 연결하는 샤프트;
   상기 유입수로의 하방에 설치되어, 낙하하는 물을 하방으로 배출하는 배출관;
   을 포함하여 구성되며, 제1 내지 제3터빈의 각 터빈마다 제1 내지 제3유입수로가 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 유도수로의 상부와, 유도수로와 유입수로가 연결되는 부분에는 그물망이 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3유입수로는 후방에 형성된 유입수로일수록 측벽의 높이가 높게 형성되며, 최후방에 형성된 유입수로를 지나서는 터빈으로 배수되지 못한 물을 흘려보내는 초과유량배수로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 내지 제3유입수로의 상부에는 발전기 및 배전반이 설치되어 있는 발전 및 배전함이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유도수로를 이용한 다중 수력발전시스템.

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