KR101692166B1 - 수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강이나 하천의 수중보의 물 낙차를 이용하여 전기를 발생시킬 수 있도록 하는 수력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물의 낙하시 유속을 증가시켜서 효율적인 발전을 수행할 수 있도록 하기 위하여, 강 또는 하천의 보 하류측 벽에 접하여 보의 길이방향을 따라 설치되도록 일정 길이를 가진 관 형태이고, 상단이 개방되어 보에서 낙하하는 물을 수용 가능하도록 한 물받이(10)와, 상기 물받이의 일측 단부에 연결되고 강 또는 하천 변을 따라 설치되어 상기 물받이에 수용된 물이 흘러가도록 한 수로(30)와, 상기 수로에 설치되어 흐르는 물에 의해 회전 가능하게 마련된 하나 또는 복수 개의 수차(40)와, 상기 수차의 축(41)에 연결되어 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치(50)를 포함하는 수력발전장치가 제공된다.

Description

수력발전장치{HYDROELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 수력발전장치에 관한 것으로 강이나 하천의 수중보의 물 낙차를 이용하여 전기를 발생시킬 수 있도록 하는 수력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 수력발전은 높은 곳에 위치한 물의 위치에너지를 발전기 터빈의 운동에너지로 변환시키고, 발전기 내부의 전자기 유도 현상을 이용하여 전기를 생성시키는 것이다.

보통 수력발전을 위해서는 댐의 상류에 물을 가두었다가 수문을 열고 댐의 하류로 방출되는 물의 낙차를 이용하여 터빈을 회전시킨다. 이 과정에서 물의 위치에너지가 터빈의 운동에너지로 전환되고, 터빈 내부의 로터 코일이 터빈을 따라 회전하면서 전자기유도 현상에 의해서 전류가 발생하는 것이다.

이와 같이 물의 낙차를 이용하여 발전하도록 하는 기술로서 한국 공개특허공보 제 2001-0078994호(특허문헌 1)에서는 댐의 취수구와 연결된 수로관을 수평으로 유도한 후 수직 하향 20∼30m 간격으로 하여 다수의 발전 설비를 계단식으로 설치하여 수로관을 통하여 수직 낙하된 낙하 에너지가 수차의 날개를 회동시키고 수차는 터빈을 변속시켜 전기를 효율적으로 생산할 수 있게 한 '수직 낙하 에너지를 이용한 다단계 수력 발전 방법 및 장치'를 제안하였다.

그러나 특허문헌 1을 포함한 종래 발전 방식은 주로 댐에 설치되는 것이어서 설치 장소에 제한이 따르고, 발전용 댐 건설을 위해 많은 비용 소요될 뿐 아니라 댐이 설치되지 않은 지역이나 댐을 설치하기 어려운 평야 지대에서는 먼 거리에서 전기를 끌어다 써야 하므로 전력 공급을 위한 전선 공사에도 큰 비용이 소요되는 등, 설치 장소의 제한과 건설비용의 과다하다는 문제점을 내포하고 있다.

1. 한국 공개특허공보 제 2001-0078994호(2001.8.22 공개)

상기의 종래 기술이 내포한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 강이나 하천에 흔하게 설치되는 수중보에 설치되어 전기를 얻을 수 있도록 하면서도 물의 낙하시 유속을 증가시켜서 효율적인 발전을 수행할 수 있도록 하는 수력발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 강 또는 하천의 보 하류측 벽에 접하여 보의 길이방향을 따라 설치되도록 일정 길이를 가진 관 형태이고, 상단이 개방되어 보에서 낙하하는 물을 수용 가능하도록 한 물받이(10)와, 상기 물받이의 일측 단부에 연결되고 강 또는 하천 변을 따라 설치되어 상기 물받이에 수용된 물이 흘러가도록 한 수로(30)와, 상기 수로에 설치되어 흐르는 물에 의해 회전 가능하게 마련된 하나 또는 복수 개의 수차(40)와, 상기 수차의 축(41)에 연결되어 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치(50)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

추가적인 실시 예로서 상기 물받이 내에는 물받이의 길이 방향을 따라 설치되는 스크류(20)가 구비되고, 상기 회전축(21)은 상기 물받이 양쪽 단부의 지지대(22)에서 회전 가능하게 축설되며, 상기 회전축의 일단부에는 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치(50)가 연결된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 댐과 같이 대형 시설물이 아니라 강이나 하천 등에 설치되는 비교적 적은 시설물인 수중보에 설치되므로 공사비가 저렴하면서도 장소나 지형, 지역 등의 제한 없이 어디서나 손쉽게 전기를 생성할 수 있고, 또한 계단식 보에서는 연속적으로 발전을 수행할 수 있는 등 장소의 제한이 없고 경제적인 운용이 가능하다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력발전장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력발전장치의 하류에서 상류 방향 관점의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수력발전장치의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력발전장치의 사시도이다.
도 6은 도 5의 B-B선의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수력발전장치의 사시도이다.
도 8은 도 6의 실시예의 변형 예이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 보인 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 첨부된 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예이므로 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않으며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 기술이거나 용이하게 도출되는 정도의 기술에 대해서는 그에 관한 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력발전장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력발전장치의 하류에서 상류 방향 관점의 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수력발전장치의 평면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하는 바와 같이 본 발명의 수력발전장치는, 물받이(10), 수로(30), 수차(40) 및 발전장치(50)를 포함할 수 있다.

상기 물받이(10)는 강 또는 하천의 보(洑)(1) 하류측 벽에 접하여 보(1)의 길이방향을 따라 설치되도록 일정 길이를 가진 관 형태이고, 상단이 개방되어 있어서 보(1)를 타고 넘어서 낙하하는 물을 수용할 수 있게 마련되며, 그 단면은 반원형일 수 있다.

상기 물받이(10)의 일측 단부에는 강 또는 하천 변을 따라 설치되어서 상기 물받이(10)에 수용된 물이 흘러가도록 한 수로(30)가 연결되며, 이때 상기 수로(30)는 도시한 예와 같이 개방형 관로일 수도 있고 도시하지 않았지만 폐쇄형 관로일 수 있다.

상기 수차(40)는 상기 수로(30)에 설치되어서 수로(30)를 따라 흐르는 물에 의해 회전 가능하게 마련된 것으로, 수로(30)에 대하여 하나 또는 복수 개가 설치될 수 있다.

상기 수차(40)는 수차 축(42)에 수차 지지대(42)에 축설되어 지지되며, 상기 수차 축(42)에는 발전장치(50)가 연결된다.

상기 발전장치(50)는 수차(40)의 회전력을 이용, 전자기유도 현상에 의해서 전류를 발생시키는 장치로서, 수차(40)의 회전과 함께 터빈 내부의 로터 코일이 터빈을 따라 회전하도록 마련될 수 있으며, 기타 전자기유도 현상에 의해서 전류를 생산할 수 있도록 한 것이면 그 구조에는 제한이 없다.

또한, 상기 발전장치(50)는 축전장치(도시하지 않음)와 연결되어 발전장치(50)로부터 생성된 전력을 저장할 수 있다.

이와 같이 구성된 수력발전장치는, 보(1)를 넘어서 흐르는 물이 물받이(10)에 수용되고, 일부는 물받이(10)에서 넘쳐 하류로 유입되고, 일부는 물받이(10)에 연결된 수로(30)를 따라 흐르면서 수차(40)를 회전시켜서 전류를 생성한 다음, 다시 강이나 하천으로 유도된다.

상기 물받이(10) 내부에 수용된 물이 정체하지 않고 수로(30) 방향으로 흐르도록 하기 위해 도 3과 같이 상기 물받이(10)는 상기 수로(30)가 연결된 방향으로 하향 경사지게 설치되어 물받이(10)에 수용된 물의 유속을 증가시킬 수 있으며, 이 경우 수로(30)의 유속이 증가하여 발전량을 늘릴 수 있다.

또한, 상기 물받이(10)의 유속을 증가시킬 수 있는 다른 방안으로서, 도 4와 같이 상기 물받이(10)는 상기 수로(30)가 연결된 방향이 하류 측으로 경사지게 설치되어 물받이(10)에 수용된 물이 수로 방향 및 하류 방향으로 흐르도록 하는 것도 가능하다.

이 경우 물받이(10)의 경사각을 크게 하는 동시에 물받이(10) 및 수로(30)의 연결 각도가 커져서 유속을 더욱 증가시킬 수 있다.

이때 보(10)를 타고 넘는 물이 누설 없이 물받이(10)로 유도되도록 하기 위해 상기 물받이(10)에는 도 2와 같이 물받이(10)의 상류측 단부에서 보(1) 방향으로 연장되어 보(1)의 하류측 벽에 접하는 유도판(11)이 더 구비될 수 있으며, 유도판(11)이 설치되면 보(1)에서 낙하하는 물을 전량 물받이(10)로 유도할 수 있다.

또한, 상기 물받이(10)에는 물받이(10)의 하류측 단부에서 상향 연장된 물막이 날개(12)가 더 구비될 수 있다.

상기 물막이 날개(12)는 물받이(10)에 유도된 물이 곧바로 하류로 흘러넘치는 것을 방지하고 역류하도록 하여 물받이(10) 내에서 와류를 형성하기 위해 마련된다.

한편, 상기 물받이(10) 내에는 물받이(10)의 길이 방향을 따라 설치되는 스크류(20)가 구비되고, 상기 회전축(21)은 상기 물받이(10) 양쪽 단부의 지지대(22)에서 회전 가능하게 축설되며, 상기 회전축(21)의 일단부에는 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치(50)가 연결될 수 있다.

이와 같이 구성하면, 물받이(10) 내에서 수로(30) 방향으로 흐르는 물에 의해서 스크류(20)가 회전할 수 있고, 스크류(20) 회전에 의해서 회전축(21)과 연결된 발전장치(50)에서 전력을 생산할 수 있다.

전술한 바와 같이 상기 물받이(10)가 수로 방향으로 하향 경사지거나 또는 하류 방향으로 경사지게 설치되는 점을 고려하여 상기 회전축(21)의 어느 한 부분 또는 다수 부분에 유니버셜 조인트(23)가 설치되어 상기 회전축(21)이 일정 각도 꺾인 상태에서 회전 가능하게 할 수 있다.

이와 같이 회전축(21)이 유니버셜 조인트(23)에 의해서 꺾임 가능한 경우 회전축(21)을 임의의 각으로 설치할 수 있으므로 물받이(10)의 경사각도를 자유롭게 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력발전장치의 사시도이고, 도 6은 도 5의 B-B선의 단면도로서, 도 1의 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 사용하고, 그에 관한 반복 설명은 생략한다.

도 5 및 도 6을 참조하는 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력발전장치는, 상기 물받이(10) 및 스크류(20)가 상기 보(1)의 전체 길이에 대해 일부 구간에만 형성될 수 있고, 보(1)의 전체 길이에 대해 물받이(10) 및 스크류(20)가 설치되지 않은 나머지 구간에는 상기 회전축(21)이 연장 설치될 수 있다.

이때 연장된 회전축(21), 즉 스크류(20)가 형성되지 않은 회전축(21)에는 보(1)로부터 낙하하는 물을 임시 수용한 후 다시 낙하시키는 버켓(25)이 하나 또는 다수 개 구비될 수 있다.

이와 같이 하면, 상기 보(1)를 타고 넘은 물이 버켓(25)에 저장되고, 버켓(25)이 물의 중량과 낙하 압력에 의해서 회전축(21)을 중심으로 회전하면 버켓(25)이 기울어져서 그 내부의 물을 하류로 방출하게 됨으로써 회전축(21)을 회전 가능하게 할 수 있다.

이때 버켓(25)은 회전축(21)의 상부를 기준으로 할 때 물이 흐르는 방향으로 회전시키도록 하는 것이 바람직한데, 이는 이물질이나 부유물이 버켓(25) 내부로 들어오더라도 그대로 하류로 방류시킬 수 있도록 하기 위함이다. 만약 그 반대 방향인 경우, 즉 회전축(21)의 상부를 기준으로 할 때 물이 흐르는 역방향으로 회전시키는 경우 이물질이나 부유물이 버켓(25)에 유입된 후 버켓(25)에서 빠져 나오는 동안 보(1)와의 사이에 끼는 현상이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.

버켓(25)의 회전 방향으로 고려할 때 보(1)를 타고넘어서 낙하하는 물이 회전축(21)의 후방으로 낙하하도록 하기 위해 보(1)의 상단에는 하류 방향으로 연장된 연장부(2)가 더 설치될 수 있다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수력발전장치의 사시도로서, 도 1 및 도 5의 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 사용하고, 그에 관한 반복 설명은 생략한다.

도 7을 참조하는 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수력발전장치는, 강 또는 하천의 보(1) 하류측 벽에 근접하여 보(1)의 길이방향을 따라 설치된 회전축(21)과, 상기 회전축(21)의 양측 단부를 지지하는 지지대(22)와, 상기 회전축(21)의 외주면에 형성되어 보(1)로부터 낙하하는 물을 임시 수용한 후 낙하시켜서 회전축(21)을 회전 가능하게 하는 하나 또는 다수 개의 버켓(25)과, 상기 회전축(21)의 일단부에 연결되어 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치(50)를 포함하여 구성된다.

상기 발전장치(50)는 교류 4극발전기를 사용할 수 있고, 이때 분당 회전속도가 1700~1800rpm로 회전되게 하여 주파수 60Hz를 출력할 수 있도록 하기 위해 회전축(21)와 발전장치(50) 사이에 증속기(26)를 설치할 수 있다. 상기 증속기(26)는 예를 들어 기어비를 이용한 기어장치로서 저속의 회전축(21)을 1700~1800rpm의 회전속도로 변환하는 장치일 수 있으며, 이와 같은 증속기(26)는 앞서 설명한 모든 실시예에 적용될 수 있다.

도 7과 같이 구성된 수력발전장치는, 구조가 간단하기 때문에 설치 비용과 운용비용이 적고, 소량의 물이라도 회전축(21)이 쉽게 회전하므로 강수량이 적은 때에도 발전 가능하다는 이점이 있다.

도 8은 도 6의 실시예의 변형 예로서, 도 8을 참조하는 바와 같이 회전축(21)의 외주면에서 이격된 위치에는 하나 또는 방사형으로 다수 개의 중량체(27)가 설치될 수 있으며, 중량체(27)가 설치된 경우 중량물(27)의 낙하시 발생하는 가속에 의해 회전축(21)의 회전력과 회전속도를 증가시킬 수 있다.

상기 언급된 스크류(20), 버켓(25), 중량체(27)의 상호보안 상승작용으로 보다 회전축(21)의 회전력을 증가시켜 발전시킬 시킬수 있는 구조이다.

즉, 초기에 상기 버켓내로 유입되는 물의 중량으로 버켓을 회전시키고, 같은 축에 연결된 상기 스크류가 회전하기 시작하면 스크류내로 유입되는 물의 중량과 낙차력에 의해 버켓과 스크류의 회전력을 증가 시킬수 있다. 여기에, 회전축에 형성된 상기 중량체의 회전으로 원심력이 생기게 되고, 이러한 원심력작용으로 버켓과 스크류가 일체로 형성된 회전축의 회전력을 크게 할 수 있다.

이상의 설명은 비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구범위에 속함은 자명하다.

1: 보 2: 연장부
10: 물받이 11: 유도판
12: 물막이 날개
20: 스크류 21: 회전축
22: 지지대 23: 유니버셜 조인트
25: 버켓 26: 증속기
27: 중량물
30: 수로 31: 받침대
40: 수차 41: 수차 축
42: 수차 지지대
50: 발전장치

Claims (13)

1. 강 또는 하천의 보 하류측 벽에 접하여 보의 길이방향을 따라 설치되도록 일정 길이를 가진 관 형태이고, 상단이 개방되어 보에서 낙하하는 물을 수용 가능하도록 한 물받이(10)와,
   상기 물받이의 일측 단부에 연결되고 강 또는 하천 변을 따라 설치되어 상기 물받이에 수용된 물이 흘러가도록 한 수로(30)와,
   상기 수로에 설치되어 흐르는 물에 의해 회전 가능하게 마련된 하나 또는 복수 개의 수차(40)와,
   상기 수차의 축(41)에 연결되어 회전에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치(50)를 포함하되,
   상기 물받이 내에는 물받이의 길이 방향을 따라 설치되는 스크류(20)가 구비되고, 상기 스크류의 중심 회전축(21)은 상기 물받이 양쪽 단부의 지지대(22)에서 회전 가능하게 축설되며, 상기 발전장치(50)는 상기 회전축의 일단부에 연결되고,
   상기 회전축(21)의 어느 한 부분 또는 다수 부분에 유니버셜 조인트가 설치되어 상기 회전축이 일정 각도 꺾인 상태에서 회전 가능하게 함으로써 상기 회전축(21)을 임의의 각으로 설치하여 물받이(10)의 경사각도를 조절 가능하게 한 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 물받이(10)는 상기 수로(30)가 연결된 방향으로 하향 경사지게 설치되어 물받이에 수용된 물이 수로 방향으로 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 물받이(10)는 상기 수로가 연결된 방향이 하류 측으로 경사지게 설치되어 물받이에 수용된 물이 수로 방향 및 하류 방향으로 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 물받이 및 스크류는 상기 보의 전체 길이에 대해 일부 구간에만 형성되고 나머지 구간에는 상기 회전축이 연장 설치되되, 연장된 회전축에는 보로부터 낙하하는 물을 임시 수용한 후 낙하시키는 하나 또는 다수 개의 버켓(25)이 구비됨으로써 회전축(21)을 회전 가능하게 한 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
6. 삭제
7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 물받이(10)에는 상류측 단부에서 연장되어 보의 하류측 벽에 접하는 유도판이 더 구비되어 보에서 낙하하는 물을 물받이로 유도 가능하게 된 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 물받이(10)에는 하류측 단부에서 상향 연장된 물막이 날개가 구비된 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 회전축(21)과 상기 발전장치(50) 사이에는 회전축의 회전속도를 증가시키는 증속기(26)가 구비된 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
   
10. 삭제
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