KR101814613B1 - 수배관 미활용에너지를 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수배관의 미활용에너지를 이용하여 발전하는 장치에 있어서: 입수부(21)와 출수부(22) 사이에 우회부(23)와 챔버를 지니는 하우징(20); 상기 우회부(23)의 유로를 개폐하도록 밸브판(34)을 지니는 체크밸브(30); 상기 챔버의 상하단으로 구심터빈(43)과 원심터빈(45)을 동일한 샤프트(41) 상에 지니는 구동수단(40); 및 상기 샤프트(41)의 일단에 연결되는 발전기(51)를 지니는 발전수단(50);을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 폐쇄형 수배관 내에 유동하는 유체의 유속과 잉여압력으로 전력을 생산함에 압력손실을 유발하지 않아 시스템에 부담을 초래하지 않으면서 발전효율을 최적으로 유지하는 효과가 있다.

Description

수배관 미활용에너지를 이용한 발전장치{Power generation apparatus using non-used energy of water pipeline}

본 발명은 발전장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폐쇄형 수배관 내에 유동하는 유체의 유속과 잉여압력으로 전력을 생산하기 위한 수배관 미활용에너지를 이용한 발전장치에 관한 것이다.

미활용에너지는 지하수, 해수, 하천수 등의 온도차 에너지, 공장에서 배출되는 폐열, 쓰레기 소각열 등 지금까지 활용되지 않았던 에너지를 총칭하는 것으로서 신재생 에너지와 중복적이고 연계적이지만 상대적으로 소규모화 구현이 가능하여 보급 확대에 유리하다는 측면에서 현실적으로 높은 활용도가 기대된다.

이와 관련되는 선행기술문헌으로서, 한국 등록특허공보 제1555433호는 건물배관에 연결되는 U자형 우회배관; 상기 우회배관을 흐르는 유체로부터 회전력을 발생시키는 임펠러를 구비한 터빈유닛; 상기 임펠러의 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 발전기; 등을 포함한다. 이에, 유동유체의 흐름을 방해하지 않으면서도 안정적인 고효율 발전을 수행하는 효과를 기대한다.

또 다른 선행기술문헌으로서, 한국 등록특허공보 제1078312호에 의하면 배관 내에 설치되는 회전장치에 구비되는 회전체는 상기 배관 방향을 마주보며 설치되는 원판과, 상기 원판에 원주상으로 복수개가 배열되는 핀을 구비하며, 상기 핀은 길이 방향과 폭방향을 가지는 면상구조를 제안한다. 이에, 배관이라는 특정한 환경에서 회전장치의 유체압 이용하여 효율을 높이는 효과를 기대한다.

다만, 상기한 선행문헌에 의하면 발전 과정에서 압력손실을 수반하므로 특정의 시스템에 있어서 부담을 초래할 우려가 있을뿐더러 이로 인하여 최적의 발전효율을 유지하기에 한계성을 드러낸다.

1. 한국 등록특허공보 제1555433호 "건물배관의 유체 운동에너지를 이용한 발전설비" (공개일자 : 2015.10.06.) 2. 한국 등록특허공보 제1078312호 "유체를 이용한 동력발생장치 및 이를 이용한 발전 장치" (공개일자 : 2011.07.28.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 폐쇄형 수배관 내에 유동하는 유체의 유속과 잉여압력으로 전력을 생산함에 압력손실을 유발하지 않아 시스템에 부담을 초래하지 않으면서 발전효율을 최적으로 유지하기 위한 수배관 미활용에너지를 이용한 발전장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수배관의 미활용에너지를 이용하여 발전하는 장치에 있어서: 입수부와 출수부 사이에 우회부와 챔버를 지니는 하우징; 상기 우회부의 유로를 개폐하도록 밸브판을 지니는 체크밸브; 상기 챔버의 상하단으로 구심터빈과 원심터빈을 동일한 샤프트 상에 지니는 구동수단; 및 상기 샤프트의 일단에 연결되는 발전기를 지니는 발전수단;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 체크밸브는 힌지를 개재하여 밸브판의 회동을 유발하고, 회동 토크를 가변하기 위한 토션조절기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단은 샤프트의 상단에서 구심노즐과 구심터빈을 대향시키고, 샤프트의 하단에서 원심터빈과 원심디퓨저를 대향시킨 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 구심노즐은 유체의 정상상태 유동 과정에서 비등가속 현상을 유발하도록 노즐목을 구비하여, 원심터빈과 원심디퓨저를 통과한 유체의 압력 증가를 유도하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 발전수단은 제어기를 통하여 발전기의 전력 생산을 제어하고, 발전기와 샤프트의 연결을 단속하는 전자클러치를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 폐쇄형 수배관 내에 유동하는 유체의 유속과 잉여압력으로 전력을 생산함에 압력손실을 유발하지 않아 시스템에 부담을 초래하지 않으면서 발전효율을 최적으로 유지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1실시예를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제2실시예를 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 주요 작동을 설명하기 위한 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 수배관의 미활용에너지를 이용하여 발전하는 장치에 관하여 제안한다. 유체를 외부로 배출하거나 시스템으로 순환시키면서 냉각을 유발하여도 무방한 수배관(10)을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 미활용에너지는 유체의 유속과 잉여압력의 형태로 회수되어 발전에 활용된다.

본 발명에 따르면 하우징(20)이 입수부(21)와 출수부(22) 사이에 우회부(23)와 챔버를 지니는 구조이다. 하우징(20)의 입수부(21)와 출수부(22)는 다소 확경된 상태로 수배관(10)에 연결되는 부분이다. 우회부(23)와 챔버는 하우징(20) 내에서 인접하지만 구분되는 유로를 형성한다. 하우징(20)의 챔버는 후술하는 주요 구성품을 수용하는 부분으로서 도 1 및 도 3의 형태로 구현된다. 도 1의 챔버(25)는 수직형 수배관(10)에 설치되고, 도 3의 챔버(26)는 수평형 수배관(10)에 설치된다. 어느 경우에나 우회부(23)는 챔버(25)(26)의 수평으로 인접하게 형성된다. 우회부(23)의 유로 단면적은 챔버의 유로 단면적보다 작아도 무방하다.

또, 본 발명에 따르면 체크밸브(30)가 상기 우회부(23)의 유로를 개폐하도록 밸브판(34)을 지니는 구조이다. 체크밸브(30)는 유체가 수배관(10)을 유동하는 초기에 후술하는 원심터빈(45)과 원심디퓨저(46)를 통한 유동 저항의 반력이 발생하는 동안 그에 비례하는 밸브판(34)의 개도율로 우회부(23)의 유로를 개방한다. 수배관(10)의 유체 유동이 과도상태(transient state)를 거쳐 정상상태(steady state)에 이르면 점차 반력이 소멸되고 밸브판(34)이 초기 위치로 복귀하여 우회부(23)의 유로를 폐쇄한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 체크밸브(30)는 힌지(32)를 개재하여 밸브판(34)의 회동을 유발하고, 회동 토크를 가변하기 위한 토션조절기(36)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 1 및 도 3에서 밸브판(34)이 상단의 힌지(32)를 개재하여 회동되는 상태를 예시한다. 통상적으로 밸브판(34)은 일정한 수준의 회동력(토크)을 유지하여 우회부(23)의 챔버의 압력 변동에 따라 전개 또는 전폐를 구현한다. 다만, 수배관(10) 상의 유체의 종류, 시스템의 운전 조건 등에 따라 밸브판(34)의 개폐를 위한 토크를 가변할 수도 있다. 토션조절기(36)는 힌지(32)를 통하여 밸브판(34)의 회동 토크를 전기적으로 조절하도록 설치된다. 예컨대, 유체의 유동이 정상상태에 이른 후에 일시적 맥동에 의한 밸브판(34)의 요동을 방지하도록 적절한 구속력을 부가할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 구동수단(40)이 상기 챔버의 상하단으로 구심터빈(43)과 원심터빈(45)을 동일한 샤프트(41) 상에 지니는 구조이다. 구동수단(40)은 궁극적으로 후술하는 발전수단(50)을 통하여 전기를 생산하는 것이지만 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 발전 외에 수배관(10)의 유체 압력을 승압하거나 온도를 낮추는 냉각을 독립적으로 구현할 수도 있다. 도 1에서 입수부(21)에 인접한 구심터빈(43) 및 출수부(22)에 인접한 원심터빈(45)이 챔버(25) 내부에서 샤프트(41)에 동심으로 연결된 상태를 나타낸다. 도 3에서도 챔버(26), 샤프트(41), 구심터빈(43), 원심터빈(45)의 배치가 도 1과 동일성을 유지한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단(40)은 샤프트(41)의 상단에서 구심노즐(42)과 구심터빈(43)을 대향시키고, 샤프트(41)의 하단에서 원심터빈(45)과 원심디퓨저(46)를 대향시킨 것을 특징으로 한다. 도 2(a)에서 구심노즐(42)과 구심터빈(43)이 다수의 날개로 형성되어 동심으로 배치된 상태를 예시한다. 도 2(b)에서 원심터빈(45)이 구심터빈(43)과 유사하게 다수의 날개로 형성되어 배치된 상태를 예시한다. 입수부(21)에서 챔버(25)로 유입되는 유체는 구심노즐(42)을 거쳐 구심터빈(43)의 날개에 충돌하고 샤프트(41)의 회전을 유발하면서 하강한다. 샤프트(41)의 회전에 의하여 원심터빈(45)이 원심펌프로 작동되고 원심디퓨저(46)를 통하여 출수부(22)로 유체가 배출된다. 물론 샤프트(41)의 회전은 구심터빈(43)의 상측으로 연결되는 발전기(51)의 작동을 유발한다.

이때, 상기 구심노즐(42)은 유체의 정상상태 유동 과정에서 비등가속 현상을 유발하도록 노즐목을 구비하여, 원심터빈(45)과 원심디퓨저(46)를 통과한 유체의 압력 증가를 유도하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 구심노즐(42)을 통하여 가속 분사되는 유체가 구심터빈(43)의 날개에 충돌하는 상태를 나타낸다. 노즐목 유로는 중간에서 협소하고 말단에서 확대되는 유로 형태로서 유체의 비등가속 상태를 유발한다. 구심노즐(42)의 말단에서 직진 또는 이와 유사한 절대경로로 유속이 증가되면서 기액혼합체의 상태로 된다. 구심터빈(43)을 통과하는 유체는 상대경로로 유동하면서 원심터빈(45)의 펌핑을 위한 동력을 제공한다. 이 과정에서 유체의 엔탈피 변화를 유발하므로 유체의 압력이 증가되는 동시에 온도는 저하된다.

이에 따라, 수배관(10)의 압력 저하를 유발하지 않으므로 시스템의 부담을 줄일 수 있고, 수배관(10)에 별도의 열교환 설비를 갖추지 않더라도 냉각의 기능을 수행할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 발전수단(50)이 상기 샤프트(41)의 일단에 연결되는 발전기(51)를 지니는 구조이다. 도 1의 경우 챔버(25)가 수배관(10) 내부에 폐쇄되므로 별도의 도관(53)을 이용하여 배선과 냉각을 수행한다. 도 3의 경우 챔버(26)의 일부가 수배관(10)의 외부로 노출되므로 도관(53)을 배제할 수 있다. 어느 경우에나 발전수단(50)은 샤프트(41)를 통한 구심터빈(43)의 회전력으로 발전기(51)를 가동한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 발전수단(50)은 제어기(55)를 통하여 발전기(51)의 전력 생산을 제어하고, 발전기(51)와 샤프트(41)의 연결을 단속하는 전자클러치(57)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 제어기(55)는 마이컴 회로로 구성되고 발전기(51)의 전기를 설정된 규격의 전원으로 생성한다. 발전수단(50)은 제어기(55)와 관련되어 회전수검출기, 전력검출기, 유량계, 압력계 등의 검출수단을 구비한다. 전자클러치(57)는 샤프트(41) 상에 발전기(51)의 동력을 단속하는 것으로서 기구적 구성 외에 제어의 용이성을 위한 전자석 구성을 포함한다.

작동의 일예로서, 소정의 시스템에서 수배관(10)의 작동이 개시되는 과도상태(transient state)에는 구심터빈(43)을 통과한 유체의 일부가 챔버에서 원심터빈(45)으로 통과하고 일부가 체크밸브(30)를 통하여 우회부(23)로 바이패스되며, 유체의 유동이 정상상태(steady state)에 이르면 구심터빈(43)에서 비등가속 현상이 유발되고 원심터빈(45)의 정상작동으로 챔버의 내부는 진공압이 형성되며 체크밸브(30)는 폐쇄된다.

만일, 발전기(51)의 가동이 필요하지 않은 경우 전자클러치(57)를 작동하여 전동을 차단하면 출수부(22)에서 증압되고 냉각되는 유체를 시스템으로 순환시켜 활용할 수 있다. 어느 경우에나 수배관(10)의 하류측에서 유체의 냉각이 필요하다면 별도의 냉각설비를 축소하거나 생략할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 수배관 20: 하우징
21: 입수부 22: 출수부
23: 우회부 25, 26: 챔버
30: 체크밸브 32: 힌지
34: 밸브판 36: 토션조절기
40: 구동수단 41: 샤프트
42: 구심노즐 43: 구심터빈
45: 원심터빈 46: 원심디퓨저
50: 발전수단 51: 발전기
53: 도관 55: 제어기
57: 전자클러치

Claims (5)

1. 수배관의 미활용에너지를 이용하여 발전하는 장치에 있어서:
   입수부(21)와 출수부(22) 사이에 우회부(23)와 챔버를 지니는 하우징(20);
   상기 우회부(23)의 유로를 개폐하도록 밸브판(34)을 지니는 체크밸브(30);
   상기 챔버의 상하단으로 구심터빈(43)과 원심터빈(45)을 동일한 샤프트(41) 상에 지니는 구동수단(40); 및
   상기 샤프트(41)의 일단에 연결되는 발전기(51)를 지니는 발전수단(50);을 구비하되,
   상기 체크밸브(30)는 힌지(32)를 개재하여 밸브판(34)의 회동을 유발하고, 회동 토크를 가변하기 위한 토션조절기(36)를 더 구비하고,
   상기 구동수단(40)은 샤프트(41)의 상단에서 구심노즐(42)과 구심터빈(43)을 대향시키고, 샤프트(41)의 하단에서 원심터빈(45)과 원심디퓨저(46)를 대향시키며,
   상기 구심노즐(42)은 유체의 정상상태 유동 과정에서 비등가속 현상을 유발하도록 노즐목을 구비하여, 원심터빈(45)과 원심디퓨저(46)를 통과한 유체의 압력 증가를 유도하고,
   상기 발전수단(50)은 제어기(55)를 통하여 발전기(51)의 전력 생산을 제어하고, 발전기(51)와 샤프트(41)의 연결을 단속하는 전자클러치(57)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수배관 미활용에너지를 이용한 발전장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images