KR101782055B1 - 소수력 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명의 구성은, 수로의 수위 상부에 설치한 회전축과 상기 회전축의 둘레에 대한 등각 배치로 연결하여 물의 흐름에 따른 유압에 의해 날개가 회전하도록 한 수차를 구비한 소수력 발전장치에 있어서, 상기 회전축에 대한 상기 각 날개의 연결은, 상기 회전축의 중심으로부터 상기 날개의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 전방측 또는 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결이 이루어지고, 상기 날개를 중심으로 한 상기 수로의 유입구 측에 상측 부위는 후방에 위치할수록 수로의 바닥 방향으로 경사를 이루는 상부가이드와, 바닥 부위는 수로의 바닥면에 접하여 후방에 위치할수록 상기 날개의 끝단 회전 경로에 간격을 두고 근접하도록 상승하는 방향으로 경사를 이루는 제1가이드를 갖는 하부가이드로 이루어져, 이들이 이루는 후방 개구가 회전 위치하는 상기 날개의 하측 부위에 대향하게 한 전광후협의 깔때기 형상을 이룬 가이드부를 구비한다.

Description

소수력 발전장치{APPARATUS FOR SMALL HYDROPOWER GENERATION}
본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 구체적으로는 회전축에 대한 수차 날개의 연결부위가 회전축 중심에서 수차 날개의 끝단을 잇는 직선거리로부터 이격된 편심 위치에 있도록 함으로써 물의 유동에 수직 대응하여 최대의 힘을 받도록 함과 동시에 회전속도를 향상시켜 전력 생산의 효율을 극대화하는 소수력 발전장치에 관한 것이다.
소수력 발전은 인근 소하천의 유수를 이용하여 전력을 생산하는 것으로서, 발전 방식에 따라 하천 경사가 급한 상류지역에서 수로식(RUN OF RIVER TYPE), 하천 경사가 적은 중하류의 유량이 풍부한 지역에 댐식(STORAGE TYPE), 수로식과 댐식의 혼합방식으로 굴곡이 심한 하천지역에 적합한 터널식(TUNNEL TYPE) 등이 있다.
이러한 소수력 발전의 방식 중 수로식 소수력 발전은 다른 발전 방법에 비해 비교적 설치 장소에 제약을 덜 받으며 지속적인 전력 생산이 가능해 농촌 또는 산간지역과 같이 소규모의 전력이 요구되는 곳에 적합한 것으로 알려져 있다.
이와 관련된 종래기술로서, 특허문헌 1에는 낙차의 유수에 의하여 전기를 생산하는 수차를 이용한 소수력 발전장치가 개시되어 있다.
상술한 특허문헌 1과 같은 종래의 소수력 발전장치는 낙차만을 이용하기 때문에 전력 생산의 효율이 떨어지고, 농수로와 같이 낙차가 크지 못한 지형에서는 효율적인 발전이 곤란한 문제가 있다.
다른 종래기술로서, 특허문헌 2에는 수로에 설치되어 수차의 하부로 흐르는 물의 유동압을 이용하여 발전하도록 한 소수력 발전장치가 개시되어 있고, 특허문헌 3은 수로에 설치한 소수력 발전장치를 통과하는 이물질에 의해 수차가 회전을 중지하거나 파손되는 것을 방지하기 위한 수차의 구조에 관한 것이 개시되어 있다.
그러나, 상술한 특허문헌 2, 3에 따른 종래 소수력 발전장치의 수차는 물의 흐름 방향에 대하여 수차 날개가 수직으로 힘을 받는데만 집중하고 있고, 이는 이미 수차 날개의 회전 방향에 있는 물에 대하여 저항을 받는 관계에 있으므로 수차 날개의 회전속도가 늦고 물의 흐름 속도를 저하시키는 문제가 있었다.
이에 따라 특허문헌 1 내지 3을 포함한 종래의 소수력 발전장치는 수로에 2개 이상의 수차를 연결 설치하여 전력 생산량을 증가시키고자 할 경우, 수로에서 물의 수위에 따른 자연적인 흐름 속도를 갖기까지 시간과 거리를 필요로 하며, 이는 하나의 수로에 대하여 소수력 발전장치의 설치 개수를 더 늘리기 어려운 문제가 있다.
또한, 소수력 발전장치는 물의 유동압에 대하여 수차의 회전과 그에 따른 동력 효율을 높이기 위한 설계를 필요로 한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0135579호(2010.12.27. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-1376256호(2014.03.25. 공고) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0054432호(2015.05.20. 공개)
본 발명은, 상술한 종래의 문제점 해결과 필요성을 충족시키기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 수로에 설치되는 수차의 날개가 높은 수압을 인가받을 수 있도록 함과 동시에 물의 흐름에 대한 저항을 줄이도록 하며, 이를 통해 수차 날개의 회전 속도 및 그에 따른 전력 생산의 효율을 향상시키도록 하는 소수력 발전장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 하나의 수로에 2개 이상의 수차를 설치함에 있어서, 물의 흐름 속도 대비 수차의 설치 간격을 좁혀 더욱 많은 전력을 생산할 수 있도록 하는 소수력 발전장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 특징적인 구성은, 수로의 수위 상부에 설치한 회전축과 상기 회전축의 둘레에 대한 등각 배치로 연결하여 물의 흐름에 따른 유압에 의해 날개가 회전하도록 한 수차를 구비한 소수력 발전장치에 있어서, 상기 회전축에 대한 상기 각 날개의 연결은, 상기 회전축의 중심으로부터 상기 날개의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결이 이루어지고, 상기 날개를 중심으로 한 상기 수로의 유입구 측에 상측 부위는 후방에 위치할수록 수로의 바닥 방향으로 경사를 이루는 상부가이드와, 바닥 부위는 수로의 바닥면에 접하여 후방에 위치할수록 상기 날개의 끝단 회전 경로에 간격을 두고 근접하도록 상승하는 방향으로 경사를 이루는 제1가이드를 갖는 하부가이드로 이루어져, 이들이 이루는 후방 개구가 회전 위치하는 상기 날개의 하측 부위에 대향하게 한 전광후협의 깔때기 형상을 이룬 가이드부를 구비한 것에 있다.
한편, 수로의 수위 상부에 설치한 회전축과 상기 회전축의 둘레에 대한 등각 배치로 연결하여 물의 흐름에 따른 유압에 의해 날개가 회전하도록 한 수차를 구비한 소수력 발전장치에 있어서, 상기 회전축에 대한 상기 각 날개의 연결은, 상기 회전축의 중심으로부터 상기 날개의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 전방측 외측으로 편심 위치에서 연결이 이루어지고, 상기 날개를 중심으로 한 상기 수로의 유입구 측에 상측 부위는 후방에 위치할수록 수로의 바닥 방향으로 경사를 이루는 상부가이드와, 바닥 부위는 수로의 바닥면에 접하여 후방에 위치할수록 상기 날개의 끝단 회전 경로에 간격을 두고 근접하도록 상승하는 방향으로 경사를 이루는 제1가이드를 갖는 하부가이드로 이루어져, 이들이 이루는 후방 개구가 회전 위치하는 상기 날개의 하측 부위에 대향하게 한 전광후협의 깔때기 형상을 이룬 가이드부를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 가이드부는 상면이 상기 제1가이드의 후방 상면으로부터 연장한 형상으로 상기 날개 끝단의 회전 경로에 간격을 두고 근접하는 곡면을 이루는 제2가이드를 더 형성한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 회전축은 상기 상부가이드의 후방 하단과 상기 제1가이드의 후방 상단 사이의 상부에 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 날개들은, 각각 이웃하는 날개가 설치된 상기 회전축의 설치면과 105 내지 165˚의 각도를 이루는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 날개는 상기 회전축에 연결한 부위에서 끝단 사이의 중간 부위가 상기 가이드부의 개구에 대향하여 전면이 후방으로 깊이를 이루며 오목하고, 후면이 후방으로 볼록한 곡면으로 형성한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 날개들은 상기 회전축의 길이 방향 중심을 기준한 양측으로 간격을 두고 한 쌍으로 설치가 이루어지며, 한 쌍의 상기 날개들 중 적어도 끝단부는 상호 대칭적으로 상기 회전축의 길이 방향에 대하여 이미 설정한 각도로 틀어진 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
그리고, 한 쌍의 상기 날개들은 상기 가이드부의 개구에 대향하는 면이 상기 회전축 길이 방향 중심 방향으로 물이 모이도록 틀어지거나, 또는 상기 가이드부의 개구에 대향하는 면이 상기 회전축 길이 방향 중심 방향으로 물이 수로의 양측으로 모이도록 틀어진 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 구성에 의하면, 수차의 날개들이 회전축의 중심으로부터 날개의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 전방측 또는 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결됨은 물론 상부가이드 및 제1가이드에 의해 수차의 날개가 높은 수압을 인가받음과 동시에 물의 흐름에 대한 저항이 줄어들게 되어 수차 날개의 회전 속도 및 그에 따른 전력 생산의 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 하나의 수로에 2개 이상의 수차를 설치함에 있어서, 상술한 바와 같이 날개의 회전 속도가 향상된 것이 물 흐름의 저항을 줄여 높은 유속을 유지할 수 있도록 함과 더불어 날개를 회전시킨 물이 제2가이드를 타고 넘으면서 상측으로 솟구치며 계속적인 흐름을 유지하게 되어 유속을 상승시킴으로써, 물의 흐름 속도 대비 수차의 설치 간격을 좁혀 더욱 많은 전력을 생산할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소수력 발전장치를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소수력 발전장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 소수력 발전장치에서 물의 흐름을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 소수력 발전장치의 상부가이드, 하부가이드 및 수차를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치가 하나의 수로에 2개 이상 설치되는 것을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 7 및 도 8의 수차에 의한 물의 흐름을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 단면도이다.
본 발명을 설명함에 있어서, 상측(상부)과 하측(바닥)은 수로의 상부가이드가 하부가이드보다 상측에 있도록 한 사용상태를 기준으로 하고, 전방은 수로에 물의 유입이 이루어지는 방향 또는 그 방향이 있는 부위를 지칭하는 것으로 하고, 후방은 전방의 반대 방향 또는 그 방향에 있는 부위를 지칭하는 것으로 하여 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 설명에 있어서, 내측의 표현은 각 구성 또는 각 구성에 의해 구획되어진 안쪽 방향 또는 그 방향에 있는 부위를 지칭하는 것으로 하고, 외측의 표현은 내측의 표현과 반대 방향 또는 그 방향에 있는 부위를 지칭하는 것으로 하여 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 상술한 본 발명의 목적을 구현하기 위한 바람직한 실시 구성과 이들 구성에 따른 작용관계에 대하여 설명하겠으며, 종래와 동일 내지 동일 범주에 있는 기술구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 회전축에 대한 수차 날개의 연결부위가 회전축 중심에서 수차 날개의 끝단을 잇는 직선거리로부터 이격된 편심 위치에 있도록 함으로써 물의 유동에 수직 대응하여 최대의 힘을 받도록 함과 동시에 회전속도를 향상시켜 전력 생산의 효율을 극대화하는 소수력 발전장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 구성은, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 내측에 물이 흐르는 수로(10), 이 수로(10)에 설치되어 물의 흐름에 따른 유압에 의해 회전하는 수차(20) 및 수차(20)의 회전에 의해 전력을 발생시키는 발전기(30)를 포함하여 구성된다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 상술한 수로(10)는 전방의 유입구(11)로 유입된 물이 후방의 배출구(12)로 배출되는 것으로, 그 내측에서 유동하는 물의 양과 물 흐름의 속도는 제한적이다.
이러한 수로(10)는 원기둥 형상 또는 종단면이 다각형을 이루는 박스 형상일 수 있고, 상술한 바와 같이, 제한적인 수량과 유속대비 물의 흐름에 대한 유압을 높일 수 있도록 상부가이드(13) 및 하부가이드(14)로 이루어진 가이드부를 포함하여 구성된다.
여기서, 가이드부의 상부가이드(13)는 후술할 날개(22)를 중심으로 한 수로(10)의 유입구(11) 측에 상측 부위는 후방에 위치할수록 수로(10)의 바닥 방향으로 경사를 이룬다.
즉, 전방의 유입구(11)로부터 유입되는 물의 수위를 강제적으로 낮추어 그 유압과 유속을 높여 수차(20)에 인가될 수 있도록 하는 것이다.
이때, 상부가이드(13)는 후술할 날개(22)의 끝단에 근접하는 위치까지 연장되되, 날개(22)들의 회전 경로와는 간격을 가지도록 하고, 수차(20)에 직접 압력을 인가하는 물이 후술할 날개(22)의 하부에 수직방향으로 부딪힐 수 있도록 곡면을 이루며 경사지는 것이 바람직하다.
그리고, 상부가이드(13)는 후방으로 갈수록 좁아지는 형상을 이루는데, 이는 후술할 날개(22)에 부딪히는 물의 유압과 유속을 더욱 높일 수 있도록 함은 물론, 날개(22)의 중앙부에 집중하여 유압을 인가시킬 수 있도록 하기 위함이다.
이와 함께, 가이드부의 하부가이드(14)는 수로(10)의 바닥면에 접하도록 구비되는 것으로, 제1가이드(14a)와 제2가이드(14b)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 제1가이드(14a)는 수로(10)의 바닥면에 접하여 후방에 위치할수록 날개(22)의 끝단 회전 경로에 간격을 두고 근접하도록 상승하는 방향으로 경사를 이룬다.
즉, 전방의 유입구(11)로부터 유입되는 물의 흐름을 상측으로 유도함과 더불어 상술한 상부가이드(13)와 함께 유압을 더욱 높임은 물론, 그로 인한 유속도 보다 빠르게 끌어올리는 역할을 한다.
이때, 제1가이드(14a)는 수차(20)의 회전 경로 끝단에 근접하는 위치까지 연장되되, 수차(20)의 회전 경로와는 간격을 가지도록 하고, 상부가이드(13)와 함께, 수차(20)에 직접 유압을 인가하는 물이 후술할 날개(22)의 하부에 수직방향으로 부딪힐 수 있도록 곡면을 이루며 경사지는 것이 바람직하다.
그리고, 제1가이드(14a)는 상부가이드(13)와의 사이를 통과하는 물이 상측으로 솟구치면서 후술할 날개(22)에 유압을 인가할 수 있도록 곡면을 이루며, 상부가이드(13)의 후방 하단보다 후방으로 더 연장되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 제1가이드(14a)는 후방으로 갈수록 좁아지는 형상을 이루는데, 이는 후술할 날개(22)에 부딪히는 물의 유압과 유속을 더욱 높일 수 있도록 함은 물론, 후술할 날개(22)의 중앙부에 집중하여 유압을 인가시킬 수 있도록 하기 위함이다.
이와 함께, 제2가이드(14b)는 상면이 제1가이드(14a)의 후방 상면으로부터 연장한 형상으로 날개(22) 끝단의 회전 경로에 간격을 두고 근접하는 곡면을 이룬다.
즉, 상부가이드(13) 및 제1가이드(14a)를 통과하여 후술할 날개(22)에 압력을 인가해 날개(22)를 회전시킨 물이 제2가이드(14b)를 타고 상측으로 솟구치는 흐름을 유지하도록 하고, 이로 인해, 물이 높은 유압과 유속을 유지하며 흐름을 진행할 수 있게 된다.
이를 통해, 후술할 날개(22)에 유압을 인가한 물이 그 유압과 유속을 유지하면서 상측으로 솟구치며 계속적인 흐름을 유지할 수 있게 되는 것이고, 상측으로 솟구치는 물은 그 흐름에 있어서 다시 하측으로 내려오며 흐르기 때문에 유속은 더욱 증가할 수 있는 것이다.
더욱이, 상술한 바와 같이, 후술할 날개(22)에 수압을 인가한 물이 상측으로 솟구치며 후방으로 흐르게 됨으로써, 날개(22)에 수압을 인가함으로 인해 저하될 수 있는 유속을 다시 상승시켜 높은 유속을 유지시킬 수 있는 것이다.
상술한 가이드부는 상부가이드(13) 및 하부가이드(14)와 함께 유입구(11)에서 후방으로 갈수록 좁아지는 형상을 이루며 상부가이드(13)와 제1가이드(14a)의 양측을 연결하도록 마주하는 한 쌍으로 구비되는 측부가이드(15)를 더 포함하여 이루어진다.
이를 통해, 상술한 상부가이드(13) 및 제1가이드(14a)와 그 양측을 연결한 측부가이드(15)가 이루는 후방 개구가, 회전 위치하는 후술할 날개(22)의 하측 부위에 대향되도록 전광후협의 깔때기 형상을 이루게 됨으로써, 후술할 날개(22)에 부딪히는 물의 유압과 유속을 더욱 높일 수 있도록 함은 물론, 날개(22)의 하측 중앙부에 집중하여 물의 유압을 인가시킬 수 있다.
이러한 형상을 이루는 상부가이드(13)의 후방 하단과 제1가이드(14a)의 후방 상단을 통과한 물은 후술할 날개(22)의 하부에 직접 그 수압을 인가하게 되는데, 그 위치는 후술할 회전축(21)의 중심으로부터 날개(22)의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결된 날개(22)가 회전축(21)의 중심과 하측으로 수직을 이루는 가상선(L)과 맞닿는 범위에 수직방향으로 수압을 인가하게 된다.
이에 따라, 회전축(21) 중심의 편심 위치에서 마치 회전을 시작한 것과 같은 날개(22)의 하부에, 하측에서 상측으로 솟구치며 수직 방향으로 유압이 인가됨으로써, 날개(22)에 인가되는 유압은 제한적인 물의 흐름 대비 최고이며, 그로 인해, 날개(22)에 부딪히는 물의 유속 또한 최고일 수 있고, 상술한 상부가이드(13) 및 제1가이드(14a)는 후술할 날개(22)에 최고의 수압 및 유속으로 물이 부딪히게 할 수 있도록 최적화된 각도를 이루며 회전하는 수차를 향해 곡면을 이루어 연장되어 있는 것이다.
한편, 상술한 수차(20)는 수로(10)에 설치되어 물의 흐름을 통해 회전함으로써, 이와 연결을 이루는 발전기(30)가 회전력을 통해 전력을 발생시킬 수 있도록 하는 것으로, 회전축(21)과 날개(22)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 회전축(21)은 막대 형상으로, 상부가이드(13)의 후방 하단과 제1가이드(14a)의 후방 상단 사이의 상부에서 수위의 상측에 물의 흐름 방향과 직교하는 방향으로 설치되고, 그 종단면의 형상은 원형이거나 결합되는 날개(22)의 개수 또는 날개(22)의 회전을 용이하게 하기 위해 다각형을 이룰 수 있다.
이러한 회전축(21)은 수로(10)의 상부 양측을 관통하여 설치되거나, 수로의 상부 양측에 받침대(미도시)를 구비하여 그 상측에 지지부(40)를 설치하고, 이와 같은, 지지부(40)에 회전축(21)을 관통 결합시켜 설치할 수 있다.
이때, 수로(10)의 상부 양측에 구비된 지지부(40)는 내측에 베어링(미도시)을 구비하여 회전축(21)의 결합 및 회전을 용이하게 하고, 이러한 지지부(40)에 설치된 회전축(21)은 증속부(50)와 연결을 이루며, 이 증속부(50)는 가속 기어를 구비하여 회전축(21)의 회전 속도를 설정된 가속비로 증가시켜 발전기(30)로 전달한다.
이렇게, 상술한 증속부(50)와 연결을 이루어 회전축(21)의 회전력을 전달받은 발전기(30)는 그 회전력을 통해 전력을 발생시키는 것이다.
상술한 회전축(21)에 설치되는 날개(22)는, 회전축(21) 외주면의 둘레를 따라 이미 설정된 간격을 이루며 복수개가 설치되어 수로(10)의 내측에서 흐르는 물의 수압이 직접 인가됨에 의해 회전한다.
이러한 날개(22)는 판 형상을 이루고, 회전축(21)에 용접 등으로 접합되어 설치되며, 회전축(21)에 연결한 부위에서 끝단 사이의 중간 부위가 가이드부의 개구에 대향하여 전면이 후방으로 깊이를 이루며 오목하고, 후면이 후방으로 볼록한 곡면을 이루어 회전에 있어서 그 저항을 줄일 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 수압이 직접적으로 인가되는 면, 즉, 전면에서 회전축(21)에 결합되는 부분을 제외한 가장자리에 차단벽(22b)을 구비하여 유압이 직접 인가되는 전면을 에워쌈으로써, 날개(22)에 부딪힌 물이 전면에서 외측으로 빗겨나가는 것을 줄여줌에 따라, 날개(22)의 전면에 물의 유압이 더욱 집중적으로 인가되어 날개(22)의 회전속도를 더욱 증가시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 소수력 발전장치 수차(20)의 날개(22)는 회전축(21)의 둘레에 대한 등각 배치로 복수개가 연결되되, 회전축(21)의 중심으로부터 날개(22)의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결이 이루어지는 것에 특징이 있다.
즉, 날개(22)는 회전축(21)의 중심으로부터 그 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결되어 회전축(21)의 중심에서 하측으로 수직을 이루는 위치로부터 이미 후방으로 회전이 진행된 것과 같은 위치에 있는 상태에서 물의 유압을 인가받아 회전을 시작하는 것이므로, 효율적인 회전을 시작할 수 있게 됨은 물론, 더욱 높은 속도로 회전할 수 있는 것이다.
이를 통해, 상술한 바와 같은, 상부가이드(13) 및 하부가이드(14)를 통과하여 높은 유압과 유속으로 흐르는 물이 마치 회전을 시작하고 있는 것과 같은 위치에 있는 날개(22)의 하부를 수직으로 강타하게 됨으로써, 날개(22)의 회전속도는 더욱 빨라지는 것이고, 회전속도가 높다는 것은 보다 많은 전력을 생산할 수 있음이며, 이는, 시간대비 전력 생산의 효율을 높일 수 있음을 의미한다.
또한, 날개(22)의 회전속도가 높아짐은 수로(10) 내의 전체적인 물의 흐름에 있어서, 그 저항을 줄여주는 요인이 됨으로써, 결과적으로, 날개(22)의 빠른 회전속도가 물의 높은 유속을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이, 상술한 회전축(21)의 중심으로부터 편심된 위치에서 연결이 이루어지는 날개(22)들은, 각각 이웃하는 날개(22)가 설치된 회전축(21)의 설치면과 이미 설정된 범위의 각도 내에서 설치되는 것에 특징이 있다.
즉, 회전축(21)에 설치되는 날개(22)들은, 도시한 도 4b와 같이, 각각 전방으로 이웃하는 날개(22)가 설치된 회전축(21)의 설치면에서 후방으로 평평하게 연장된 가상면과 91 내지 165˚의 각도를 이루도록 설치되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 105 내지 165˚의 각도를 이루도록 설치된다.
이는, 상술한 날개(22)들이 회전축(21)의 설치면에서 후방으로 평평하게 연장된 가상면에 대해 경사를 이룸으로써, 물의 흐름에 따른 수압이 보다 강하게 인가되도록 해, 날개(22)들이 강하게 밀리면서, 이로 인해, 수차가(20)가 더욱 빠르게 회전할 수 있도록 하기 위함이다.
이때, 상술한 각도가 91˚이상일 경우, 날개(22)에 인가되는 수압이 증가하여 수차(20)의 회전속도가 증가하게 되고, 특히, 105˚이상일 경우, 날개(22)에 인가되는 수압이 더욱 증가하여 수차(20)의 회전속도도 보다 증가하게 되며, 각도가 165˚이하일 경우, 날개(22)가 이루는 경사각의 정도가 과도하지 않게 되어 인가되는 수압의 손실 없이 수차(20)의 회전속도 증가를 도모할 수 있기 때문이다.
이와 함께, 상술한 각도가 91˚에 미치지 못할 경우, 오히려 날개(22)가 물의 저항을 받게 되어 수차(20)의 회전속도를 늦출 우려가 있고, 각도가 165˚를 초과할 경우, 날개(22)가 이루는 경사각의 정도가 과도해져 수압이 날개(22)에 인가됨이 용이치 않아, 이 또한 수차(20)의 회전속도를 늦출 우려가 있기 때문이다.
아울러, 회전축(21)과 하측으로 수직을 이루는 범위에 위치한 날개(22)의 끝단(22')은, 도 4a에 도시한 바와 같이, 상부가이드(13)의 후방 하단 높이(H1) 이하에서 제1가이드(14a)의 후방 상단 높이(H2)를 초과하는 범위에 위치되도록 하는 것이 바람직하다.
이는, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상부가이드(13)와 제1가이드(14a)를 통과한 물이 회전축(21)과 하측으로 수직을 이루는 범위 내에 위치한 날개(22)의 하부 중, 날개(22)가 회전축(21)의 원주방향 중심부위와 하측으로 수직을 이루는 가상선(L)과 맞닿는 범위 내에 있는 위치의 중앙부를, 하측에서 상승하면서 수직방향으로 정확하고 집중적으로 강타하여 수압을 인가시켜 빠르게 회전시킬 수 있도록 하기 위함이다.
이와 같이, 수압을 인가받는 날개(22)에서 수압이 인가되는 지점은 가급적 회전축(21)의 중심과 넓은 간격을 이루는 위치에 있도록 하여 날개(22)의 회전 효율을 높일 수 있도록 한다.
더불어, 상술한 바와 같은, 수차(20)는 수로(10)의 상부에 설치되되, 별도의 덮개(미도시)를 더 구비하여 상측에서 수차(20)를 덮어 수차(20)의 회전을 방해할 수 있는 이물질의 유입을 차단한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치는, 수로(10), 수차(20), 발전기(30), 지지부(40) 및 증속부(50)를 구비하고 있음은 상술한 바와 같다.
다만, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 회전축(21)에 대한 각 날개(22)의 연결은, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치와 다르게, 회전축(21)의 중심으로부터 날개(22)의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 전방측 외측으로 편심 위치에서 연결이 이루어지는 것에 특징이 있다.
이는, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치의 수차(20)를 보완할 수 있는 요인으로 작용하는 것으로서, 날개(22)들이 회전축(21)의 중심으로부터 후방측 외측으로 편심된 위치에서 연결이 이루어졌을 때, 수압이 인가되는 날개(22)의 전면 부분이 물의 저항을 받게 됨에 따른 날개(22)의 전방에서 와류(Vortex) 또는 요잉(Yawing) 현상의 발생으로 인해, 날개(22)가 그 후방에 잔류되거나 흐르고 있는 물을 밀어주는 힘을 감소시키게 됨으로써, 유속 또한 감소시킬 수 있는 우려를 억제시키기 위함이다
즉, 날개(22)들이 회전축(21)의 중심으로부터 전방측 외측으로 편심된 위치에서 연결이 이루어짐으로써, 날개(22)의 끝단이 물이 흐르는 방향으로 경사를 이룸으로써, 날개(22)의 전면 부분이 받게 되는 물의 저항을 최소화시킴에 따라, 날개(22)의 전방에서 와류 또는 요잉 현상의 발생을 차단하여 날개(22)가 그 후방에 잔류되거나 흐르고 있는 물을 보다 강하게 밀어주게 됨과 동시에, 그로 인한 유속 또한 증가시킬 수 있기 때문이고, 이는, 하나의 수로(10)에 여러 개의 수차(20)를 설치하여 전력 생산의 효율을 높이고자 할 때, 더욱 효과적으로 작용될 수 있다.
이와 같은, 날개(22)들은, 도시한 도 5b와 같이, 각각 후방으로 이웃하는 날개(22)가 설치된 회전축(21)의 설치면에서 전방으로 평평하게 연장된 가상면과 105 내지 165˚의 각도를 이루도록 설치되는 것이 바람직하다.
이때, 날개(22)의 설치가 이루는 각도가 105˚미만이거나, 165˚를 초과할 경우, 상술한 날개(22)의 전면 부분이 받게 되는 물의 저항을 최소화시키는 효과가 미미해짐과 더불어, 수압이 날개(22)에 인가됨이 용이치 않아 수차(20)의 회전속도를 늦출 우려가 있기 때문이다.
도시한 도 6과 같이, 본 발명의 일 실시예 또는 이와 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치는 하나의 수로(10)에 2개 이상의 수차(20)를 전·후 방향으로 상호 간격(D)을 이루도록 설치함으로써, 전력 생산의 효율을 높임은 물론 그 생산량도 증가시킬 수 있다.
이러한 경우, 상부 및 하부가이드(13,14)와 측부가이드(15) 또한 2개 이상이 전·후 방향으로 간격을 갖으며 수로(10)의 내측에 설치될 수 있고, 최초 수차(10)를 회전시킨 후, 계속적인 흐름을 유지하는 물이 연이은 상부 및 하부가이드(13,14)와 측부가이드(15)를 통과하여 다음 수차(20)를 회전시키게 된다.
그리고, 상술한 발전기(30), 지지부(40) 및 증속부(50)도 2개 이상의 수차에 각각 대응하도록 2개 이상으로 구비되는 것이 바람직하고, 이렇게 각각의 수차와 연결을 이루는 발전기(30)들은 상호 연결을 이룸으로써, 제한적인 물의 흐름을 가지는 하나의 수로에서 전력의 생산량을 용이하게 증가시키는 것이다.
더구나, 종래에는 2개 이상의 수차(20)를 연결 설치하여 전력 생산량을 증가시키고자 할 경우, 수로(10)에서 물의 수위에 따른 자연적인 흐름 속도를 갖기까지 시간과 거리(D)를 필요로 하며, 이는 하나의 수로에 대하여 소수력 발전장치의 설치 개수를 더 늘리기 어려운 문제가 있었다.
하지만, 본 발명에 따른 소수력 발전장치는 하나의 수로(10)에 2개 이상의 수차(20)를 연결 구성할 경우에도, 최초의 수차(20)가 향상된 속도로 회전하는 자체가 물 흐름의 저항을 줄여주는 역할을 하여 연이은 수차(20)에도 높은 유속을 유지하면서 수압을 인가할 수 있게 됨은 물론, 최초 수차(20)의 날개(22)를 회전시킨 물이 제2가이드(14a)를 타고 넘으면서 상측으로 솟구치며 흐르게 되어 날개(22)에 수압을 인가함으로 인해 저하될 수 있는 유속을 다시 상승시킴으로써, 그 높은 유속을 유지할 수 있게 되어 연이은 수차(20)에도 높은 수압이 인가되어 보다 빠른 속도로 회전하여 수차(20) 간의 간격(D)을 좁힐 수 있도록 함에 따라, 상술한 종래의 문제들을 해결하여 비교적 짧은 수로에서도 여러 개 수차(20)의 설치가 가능해 소수력 발전장치의 제조비용을 절감시킬 뿐만 아니라 전력 생산량을 용이하게 증대시킬 수 있는 것이다.
아울러, 도 6에 도시한 바와 같이, 하나의 수로(10)에 2개 이상의 수차(20)를 연결 구성할 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치의 수차와, 본 발명의 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치의 수차를 혼합하여 적용 설치할 수 있는데, 이는 소수력 발전장치의 설치 환경에 따라 선택적으로 변경 적용이 가능하다.
이때, 수로(10)의 내측에서 유입구(11) 측에 가까운 전방 위치부터 그 후방으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전축(21)의 중심으로부터 전방측 외측으로 편심된 위치에서 연결이 이루어진 날개(22)들이 설치된 수차(20)를 설치하고, 수로(10)의 배출구(12) 측에 가까운 가장 후방위치에는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축(21)의 중심으로부터 후방측 외측으로 편심된 위치에서 연결이 이루어진 날개(22)들이 설치된 수차를 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 소수력 발전장치는, 수로(10), 수차(20), 발전기(30), 지지부(40) 및 증속부(50)를 구비하고 있음은 상술한 바와 같다.
다만, 도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 상술한 날개(22)들은 회전축(21)의 길이 방향 중심을 기준한 양측으로 간격을 두고 한 쌍으로 설치가 이루어지며, 한 쌍의 날개(22)들 중 적어도 끝단부는 상호 대칭적으로 회전축(21)의 길이 방향에 대하여 이미 설정한 각도로 틀어진 형상을 이루는 것에 특징이 있다.
그리고, 한 쌍의 날개(22)들은 가이드부의 개구에 대향하는 면이 회전축(21) 길이 방향 중심 방향으로 물이 모이도록 틀어지거나, 가이드부의 개구에 대향하는 면이 회전축(21) 길이 방향 중심 방향으로 물이 수로(10)의 양측으로 모이도록 틀어진 것에 더 큰 특징이 있다.
이렇게, 한 쌍의 날개(22)가 틀어진 상태로 구비된 것은, 회전하는 날개(22)에 의해 물의 흐름을 강제적으로 안내하도록 하는 것으로, 상술한 날개(22)들의 틀어진 형상을 통해 물이 흐르면서 날개(22)를 강타함과 더불어 계속적인 흐름을 유지하되, 중앙부위 또는 양측부위에서 상측으로 솟구치며 흐름(W)을 유지하게 된다.
더하여, 날개(22)에 물의 유압을 인가함에 있어서도 날개(22)의 중앙부위 또는 양측부위로 모아지며 수압이 더욱 집중적으로 인가됨으로써, 물의 힘을 더 많이 받게 되어 후방으로 강하게 밀면서 회전하기 때문에 그 회전 속도를 더욱 상승시킬 수 있는 것이다.
특히, 날개(22)에 수압을 인가한 물이 중앙부위 또는 양측부위 상측으로 솟구치며 계속적인 흐름을 유지하게 되어, 상측으로 솟구친 물은 그 흐름에 있어서 다시 하측으로 내려오면서 흐름을 유지하기 때문에 그 유속은 더욱 증가할 수 있는 것이고, 날개(22)에 수압을 인가함으로 인해 저하될 수 있는 유속을 다시 상승시켜 높은 유속을 유지시킬 수 있는 것이며, 이러한 작용은 상술한 본 발명의 일 실시예와 동일하다.
결국, 본 발명에 따른 소수력 발전장치는, 수차의 날개들이 회전축의 중심으로부터 날개의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 전방측 또는 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결됨은 물론 상부가이드 및 제1가이드에 의해 수차의 날개가 높은 수압을 인가받음과 동시에 물의 흐름에 대한 저항을 줄어들게 되어 수차 날개의 회전 속도 및 그에 따른 전력 생산의 효율이 향상되고, 하나의 수로에 2개 이상의 수차를 설치함에 있어서, 상술한 바와 같이 날개의 회전 속도가 향상된 것이 물 흐름의 저항을 줄여 높은 유속을 유지할 수 있도록 함과 더불어 날개를 회전시킨 물이 제2가이드를 타고 넘으면서 상측으로 솟구치며 계속적인 흐름을 유지하게 되어 유속을 다시 상승시킴으로써, 물의 흐름 속도 대비 수차의 설치 간격을 좁혀 더욱 많은 전력을 생산할 수 있는 것이다.
10 : 수로 11 : 유입구
12 : 배출구 13 : 상부가이드
14 : 하부가이드 14a : 제1가이드
14b : 제2가이드 15 : 측부가이드
20 : 수차 21 : 회전축
22 : 날개 22b : 차단벽
30 : 발전기 40 : 지지부
50 : 증속부

Claims (8)

  1. 수로(10)의 수위 상부에 설치한 회전축(21)과 상기 회전축(21)의 둘레에 대한 등각 배치로 연결하여 물의 흐름에 따른 유압에 의해 날개(22)가 회전하도록 한 수차(20)를 구비한 소수력 발전장치에 있어서,
    상기 회전축(21)에 대한 상기 각 날개(22)의 연결은, 상기 회전축(21)의 중심으로부터 상기 날개(22)의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 후방측 외측으로 편심 위치에서 연결이 이루어지고,
    상기 날개(22)를 중심으로 한 상기 수로(10)의 유입구(11) 측에 상측 부위는 후방에 위치할수록 수로(10)의 바닥 방향으로 경사를 이루는 상부가이드(13)와, 바닥 부위는 수로(10)의 바닥면에 접하여 후방에 위치할수록 상기 날개(22)의 끝단 회전 경로에 간격을 두고 근접하도록 상승하는 방향으로 경사를 이루는 제1가이드(14a) 및 상면이 상기 제1가이드(14a)의 후방 상면으로부터 연장한 형상으로 상기 날개(22) 끝단의 회전 경로에 간격을 두고 근접하는 곡면을 이루는 제2가이드(14b)를 갖는 하부가이드(14)로 이루어져, 상기 상부가이드(13)와 제1가이드(14a)가 이루는 후방 개구가 회전 위치하는 상기 날개(22)의 하측 부위에 대향하게 한 전광후협의 깔때기 형상을 이룬 가이드부를 구비한 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  2. 수로(10)의 수위 상부에 설치한 회전축(21)과 상기 회전축(21)의 둘레에 대한 등각 배치로 연결하여 물의 흐름에 따른 유압에 의해 날개(22)가 회전하도록 한 수차(20)를 구비한 소수력 발전장치에 있어서,
    상기 회전축(21)에 대한 상기 각 날개(22)의 연결은, 상기 회전축(21)의 중심으로부터 상기 날개(22)의 끝단 사이를 잇는 직선 거리의 전방측 외측으로 편심 위치에서 연결이 이루어지고,
    상기 날개(22)를 중심으로 한 상기 수로(10)의 유입구(11) 측에 상측 부위는 후방에 위치할수록 수로(10)의 바닥 방향으로 경사를 이루는 상부가이드(13)와, 바닥 부위는 수로(10)의 바닥면에 접하여 후방에 위치할수록 상기 날개(22)의 끝단 회전 경로에 간격을 두고 근접하도록 상승하는 방향으로 경사를 이루는 제1가이드(14a) 및 상면이 상기 제1가이드(14a)의 후방 상면으로부터 연장한 형상으로 상기 날개(22) 끝단의 회전 경로에 간격을 두고 근접하는 곡면을 이루는 제2가이드(14b)를 갖는 하부가이드(14)로 이루어져, 상기 상부가이드(13)와 제1가이드(14a)가 이루는 후방 개구가 회전 위치하는 상기 날개(22)의 하측 부위에 대향하게 한 전광후협의 깔때기 형상을 이룬 가이드부를 구비한 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회전축(21)은 상기 상부가이드(13)의 후방 하단과 상기 제1가이드(14a)의 후방 상단 사이의 상부에 있도록 한 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 날개(22)들은, 각각 이웃하는 날개(22)가 설치된 상기 회전축(21)의 설치면과 105˚ 내지 165˚의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 날개(22)는 상기 회전축(21)에 연결한 부위에서 끝단 사이의 중간 부위가 상기 가이드부의 개구에 대향하여 전면이 후방으로 깊이를 이루며 오목하고, 후면이 후방으로 볼록한 곡면으로 형성한 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 날개(22)들은 상기 회전축(21)의 길이 방향 중심을 기준한 양측으로 간격을 두고 한 쌍으로 설치가 이루어지며, 한 쌍의 상기 날개(22)들 중 적어도 끝단부는 상호 대칭적으로 상기 회전축(21)의 길이 방향에 대하여 이미 설정한 각도로 틀어진 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    한 쌍의 상기 날개(22)들은 상기 가이드부의 개구에 대향하는 면이 상기 회전축(21) 길이 방향 중심 방향으로 물이 모이도록 틀어지거나, 또는 상기 가이드부의 개구에 대향하는 면이 상기 회전축(21) 길이 방향 중심 방향으로 물이 수로(10)의 양측으로 모이도록 틀어진 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
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KR101971885B1 (ko) * 2018-11-08 2019-04-24 김종득 조류 발전장치

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KR100843752B1 (ko) * 2007-05-16 2008-07-07 주식회사 금성이앤씨 소수력 발전장치

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