KR101838901B1 - 유속 가중화 수차 발전 시스템 - Google Patents

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KR101838901B1
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주식회사 윈드로즈이앤씨
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Abstract

본 발명은 원추형의 내통 및 나선형의 유체 유도관이 외벽을 따라서 형성된 외통을 포함하여, 유속 및 분출압력을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상시킨 유속 가중화 수차 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 입구부가 출구부보다 넓게 형성되고, 동심원으로 단면이 감소되는 원추형의 형상을 가지도록 형성된 유량 유도로와, 상기 유량 유도로의 외부를 감싸도록 입구에서부터 출구까지 나선형으로 형성된 복수의 유량 유도관을 포함하는 유량 유도로 본체와; 상기 유량 유도로 본체에서 유입되는 유량에 의해 회전하는 프로펠러 수차를 포함하는 프로펠러 수차부와; 상기 프로펠러 수차부에서 입력된 회전수를 일정 회전수로 유지시키는 기어장치; 및 상기 기어장치에서 입력된 회전에너지지를 전기에너지로 변환하는 동기발전기 설비를 포함한다.

Description

유속 가중화 수차 발전 시스템{Fluid Acceleration Type Water Turbine Generator System}
본 발명은 수차 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 원추형의 내통 및 나선형의 유체 유도관이 외벽을 따라서 형성된 외통을 포함하여, 유속 및 분출압력을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상시킨 유속 가중화 수차 발전 시스템 에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 발전하는 발전장치는 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 이용한 화력발전, 우라늄을 이용한 원자력발전과 물의 힘을 이용한 수력발전 등이 있다.
화력발전은 화석연료를 사용하는 것으로 화석연료자원이 한정되어 있고, 대기오염을 유발하여 환경을 파괴할 뿐만 아니라 지구온난화의 주범이 되고 있다. 원자력발전은 핵연료의 사용에 따른 안정성, 발전과정에서 발생되는 폐기물 등의 처리비용 및 폐기물 누출에 의한 방사능오염의 우려가 있다.
이러한 문제점을 지닌 발전장치를 대체하는 발전장치로는 자연을 이용한 발전장치를 들을 수 있다. 즉, 태양열을 이용한 태양열발전, 풍력을 이용한 풍력발전, 물을 이용한 수력발전 등이 있다.
상기 자연을 이용한 발전 중 수력발전은 일반적으로 댐을 건설하여 물을 가두었다가 지속적으로 많은 양의 물을 개방하여 낙하 시킴으로써 물의 무게와 낙차를 이용하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 것이다.
이러한 수력발전은 자연적인 물의 위치에너지를 이용하여 발전을 하기 위하여 강의 물을 가두는 대규모의 댐 건설이 불가피하여 건설비용이 많이 들고, 건설지역이 한정되어 있으며, 물을 가둠으로 인한 수몰지역이 발생되어 그로 인해 생태계의 변화가 발생되는 등의 문제점이 있었다.
또한, 수력 발전의 단점은 이러한 댐 건설 및 기타 부대설비의 건설이 수반됨으로 인해, 물의 유량이 풍부해야 경제성을 확보할 수 있다는 점이다. 만약 소 유량의 물의 흐름만으로도 효과적인 발전을 할 수 있다면 소규모 저수 시설 혹은 일반 하천수, 상하수도 등 환경을 파괴하지 않고 버려지는 다양한 물의 흐름을 이용하여 충분한 발전을 할 수 있다. 따라서, 소 유량의 물의 흐름에도 효과적인 발전을 할 수 있는 발전 장치의 개발이 절실하게 요청되고 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2014-0093150(2014년 07월 25일)
본 발명은 앞에서 설명한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유속 및 분출압력을 증가시킴으로써 발전 효율을 향상시킨 유속 가중화 수차 발전 시스템을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 앞에서 설명한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 기술에서 적용되는 수력발전 방식의 방대한 건설공사의 필요성과, 건설 시의 환경영향을 최소화하고 특히 중소유량 및 저낙차에 적용하기 위한 유속 가중화 수차 발전 시스템을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
위에서 언급된 본 발명의 기술적 과제 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 장점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
앞에서 설명한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 입구부가 출구부보다 넓게 형성되고, 동심원으로 단면이 감소되는 원추형의 형상을 가지도록 형성된 유량 유도로와, 상기 유량 유도로의 외부를 감싸도록 입구에서부터 출구까지 나선형으로 형성된 복수의 유량 유도관을 포함하는 유량 유도로 본체와; 상기 유량 유도로 본체에서 유입되는 유량에 의해 회전하는 프로펠러 수차를 포함하는 프로펠러 수차부와; 상기 프로펠러 수차부에서 입력된 회전수를 일정 회전수로 유지시키는 기어장치; 및 상기 기어장치에서 입력된 회전에너지지를 전기에너지로 변환하는 동기발전기 설비를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 유도 유도로 본체 및 상기 프로펠러 수차부는 수면 또는 수면 아래에 배치되고, 상기 동기발전기 설비는 수면보다 높은 곳에 배치된다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 8개의 유도관을 포함하고, 상기 8개의 유도관을 구분시키는 칸막이가 상기 유량 유도로의 시작단부터 끝단까지 형성되어 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 복수의 유량 유도관은 유입구 쪽에서 수직선을 기준으로 30°내지 45°의 경사를 가지도록 기울기가 형성되고, 배출구 쪽에서 수직선을 기준으로 30°내지 45°의 경사를 가지도록 기울기가 형성되어 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 유량 유도로의 유입구 직경과 유출구 직경의 비율평균 값이 1배 내지 3배의 범위에서, 상기 복수의 유량 유도관의 길이가 설정되어 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 프로펠러는 3개 또는 4개의 날개를 포함하고, 상기 프로펠러는 축보스 측에서 30°내지 45° 정도의 입력각을 가지며, 날개 끝단에서는 입력각이 0°내지 15°로 비틀린 구조로 형성되어 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 기어장치는 90° 직교 교차각을 갖는 베벨기어를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 기어장치에서 출력측에 토오크 건버터를 설치함으로써 출력축의 축 회전수를 항상 일정하게 유지시키고, 동력을 공회전 시켜 수력에너지의 변화에 따른 출력축 회전수변화에 대응해 동기발전기의 입력축 회전수를 항상 일정하게 유지시킨다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 유량 유도로와 상기 복수의 유량 유도관으로 수력에너지를 수차의 기계적 에너지로 변환시키되, 수차의 회전체(Impeller)에 작용하는 에너지를 반동(Reaction) 에너지와 충동(Impulse) 에너지로 변환시킨다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 현재의 사용수량 Q[㎥/sec]이 유입구 측을 흐를 때의 특정 유속 Vi[m/sec]이 원추형의 상기 유량 유도로내로 유입된 후, 상기 유량 유도로의 단면축소로 인해 변화된 유출 유속은 연속식의 원리에 의해 아래의 수학식 1과 같이 Vo[m/sec]로 증가시킨다.
[수학식 1]
Q = AiVi = AoVo 에서,
Vo = Ai/Ao * Q, Ai/Ao > 1 이므로,
Vo > Vi
본 발명의 실시 예에 따른 수차 발전 시스템은, 상기 수차에서의 수력에너지는 하기의 수학식 2, 3과 같이 산출되고,
[수학식 2]
Pw = γ * H * Q[kgm/sec]의 식으로 표현되며,
여기서, γ = 물의 비중량으로 1,000 [kg/㎥]을 나타내고, H = 수력 에너지수두[m], Q = 유량[㎥/sec] 을 나타내고,
또한, 발전 가능량을 결정하는 주요 요인으로 수력에너지수두[m] 와 유량 Q = 유량[㎥/sec]의 산정은 다음과 같이 계산되고,
H = Ho + Hd + Vo2/(2 * g)[m] 과 Q = AoVo 이므로,
발전 가능량 Pw= γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo [kg m/sec]가 되며,
여기에, 각각의 값은 다음의 설명으로 산정되고,
γ=1,000 [kg/㎥]: 물의 비중량 값이고,
Ho=발전설비가 설치 되기 전 원 수로의 낙차 수위[m]이고,
Hd=발전설비의 설치로 인한 배수면의 상승수위[m]이고,
Vo=유량 유도로에 의해 증가된 유출부유속[m/sec]이고,
Ao=유출부의 단면적[㎡]이고,
g=9.8[m/sec2]이고,
상기 수학식 2는 하기의 수학식 3으로 변환되고,
[수학식 3]
Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo [kg m/sec]에서 1 KW는 102 kg m/sec가 되므로 발전 가능량은 다음의 식으로 산출 된다.
Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo / 102 [KW],
본 발명의 실시 예에 따른 수차 발전 시스템은,
상기 수차와 상기 동기발전기 설비의 효율을 반영하여 실제 생산 가능한 전력량은 하기의 수학식 4와 같이 산출된다.
[수학식 4]
실질 생산전력량; Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo / 102 * ηt * ηg [KW],
여기서, ηt 는 프로펠러 수차의 효율로 0.85~0.9의 범위이고, ηg 는 발전기의 효율로 0.9~0.95이다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 상기 복수의 유량 유도관을 통해 생성된 상기 충동 에너지의 출력 가능한 전기 에너지 량은 하기의 수학식 5와 같이 산출되고,
[수학식 5]
유입구 측 단면적; ai = π/4(Di12-Di22) * 1/8
분출구 측 단면적; ao = π/4(Do12-Do22) * 1/8
또한 Q = ai * Vi = ao * vo에서,
Vo = ai/ao * Vi 이므로, 물의 충동에너지가 프로펠러 수차에 전달하는 운동량 Em=M(질량) x V(속도)이고, M(질량)은 ρ(밀도) x Q(유량)로 표시되고, 또한 γ(비중량)= ρ(밀도) x g(중력가속도) 이므로,
충동에너지 즉 발생 전력량 Pw = M x Vo = ρ x Q x Vo 로부터,
Pw = γ * Q * Vo/g = ω * Q * Vi * (Di12-Di22)/(Do12-Do22)이다.
이 밖에도, 본 발명의 실시 예들을 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 새롭게 파악될 수도 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 중소유량, 저낙차의 조건에서 유체의 흐름이 갖고 있는 유체에너지를 동일 수로 내에 설치된 프로펠러 수차 설비의 기계적 회전에너지로 변환시켜 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 유체에너지의 변환방법으로 우선 유체흐름의 단면적을 감소시킴으로써 속도에너지를 증가시키는 방법에 의한 반동력을 이용함과 동시에, 이중으로 설치된 외통의 유체 유도관을 통해서 분출되는 분출압에 의한 충동력을 함께 활용한 방법을 적용한다. 이를 통해서, 각종 수력발전 방식의 방대한 건설공사의 필요성과 건설시의 환경영향을 최소화하고 특히 중소유량 및 저낙차에 적용하기 적합한 발전 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 발전을 위해 대형 수로공사나 기존수로를 변경 보완 할 필요가 없으며 기존 수로를 그대로 활용하며 설치가 간단하다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 발전을 위한 수력에너지원인 높은 낙차를 필요로 하지 않으며 흐름유량의 속도수두를 활용함으로써 복잡한 부속설비가 필요치 않다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 안정적인 발전을 위해 조속기나 팽창탱크(Surge Tank)등의 부대설비가 필요치 않다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 수차의 회전이 저속으로 운영되어 운전이 안정적이고 정숙하다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 적정 유로형성을 위한 유도로 및 유도관을 본체에 장착하고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 중소유량, 저낙차에 적합한 소수력에 적용하기에는 적합한 시스템이다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 시설공사에 환경성 침해의 우려가 없으며 특히 손실되는 유체에너지의 회수 및 신재생에너지 생산에 최적의 발전시스템의 효과가 특징적이다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 유량 유도로(Flow Guide Channel)가 배치된 유량 유도로 본체를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 유량 유도로 외통의 유도관(Outer Guide Tube)을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 프로펠러 수차를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 프로펠러 수차의 외형도를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 기어장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 동기발전기 설비를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명은 유체 흐름속에 유체가 보유하고 있는 유체에너지(압력 및 위치에너지)를 속도에너지로 변환시켜 전기에너지를 생산 발전하는 기술로, 유체 유도로 본체, 프로펠러 수차설비, 증감속 기어장치 및 동기발전기 설비로 구성된 수차 발전 시스템을 제안한다.
본 발명의 실시 예에 따른 수차 발전 시스템은, 중소유량, 저낙차의 조건에서 유체의 흐름이 갖고 있는 유체에너지를 동일수로 내에 설치된 프로펠러 수차 설비의 기계적 회전에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 발전시스템이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템(100)은 유량 유도로 본체(110), 프로펠러 수차부(120), 기어장치(130) 및 동기발전기 설비(140)를 포함한다.
여기서, 유량 유도로 본체(110) 및 프로펠러 수차부(120)는 수면 또는 수면 아래에 배치되고, 동기발전기 설비(140)는 수면보다 높은 곳에 배치된다.
유속 가중화 수차 발전 시스템(100)이 설치되는 환경의 특성에 따라서, 기어장치(130)는 수면 아래에 설치될 수도 있고, 수면보다 높은 곳에 설치될 수도 있다. 또한, 기어장치(130)의 일부는 수면 아래에 설치되고, 나머지 부분은 수면보다 높은 곳에 설치될 수도 있다.
유량 유도로 본체(110)는 유량이 유입되는 유량 유도로(112, Flow Guide Channel) 및 유량 유도로(112) 외통에 배치된 복수의 유도관(114, Outer Guide Tube)을 포함한다. 즉, 유량 유도로 본체(110)는 내통인 유량 유도로(112)와 외통인 복수의 유량 유도관(114)을 포함한다.
유량 유도로 본체(110)에 유입된 유량은 프로펠러 수차부(120)로 배출되고, 유량에 의해서 프로펠러 수차부(120)의 프로펠러 수차가 회전하여 발전이 이루어지게 된다. 여기서, 프로펠러 수차의 회전에 의한 동력은 기어장치(130)로 전달되고, 기어장치(130)에 의해 등속의 회전 운동력이 동기발전기 설비(140)에 전달되어 지속적으로 일정량의 발전이 이루지도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 유량 유도로(Flow Guide Channel)가 배치된 유량 유도로 본체를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 유량 유도로(112)는 원통형으로 형성되어 있고, 유량 유도로(112)의 외부에 복수의 유도관(114, Guide Tube)이 배치되어 있다. 따라서, 유량 유도로 본체(110)는 원통형으로 형성되어 있다.
내통인 유량 유도로(112)는 입구부(114i)가 출구부(114o)보다 넓게 형성되어 있으며, 입구부(114i)와 출구부(114o)는 동심원으로 단면이 감소되는 원추형의 형상을 가지도록 형성되어 있다.
유체에너지의 변환방법으로, 유량 유도로(112)를 통해서, 유체흐름의 단면적을 감소시킴으로써 속도에너지를 증가시킬 수 있다. 또한, 유체흐름에서의 에너지 방정식인 베르누이의 원리와 연속식을 활용한 방법으로, 유량유도관 본체를 유체 흐름속에 설치하여 유체가 보유하고 있는 유체에너지(압력 및 위치에너지)를 속도에너지로 변환시켜 발전이 이루어지도록 한다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 유량 유도로 외통의 유도관(Outer Guide Tube)을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 외통인 복수의 유량 유도관(114)은 내통인 유량 유도로(112) 외부에 이중관으로 형성되어 있으며, 단면을 기준으로 동심원이 8개의 부위로 분할된 형태로 형성되어 있다. 즉, 8개의 유도관(114)이 내통인 유량 유도로(112)의 외부에 배치되어 있다. 여기서, 8개의 유도관(114)을 구분 시키는 칸막이(baffle)는 유량 유도로(112)의 시작단부터 끝단까지 형성되어 있다.
여기서, 복수의 유량 유도관(114)은 나선형(Helical)으로 원추형의 내통을 감싸도록 입구에서부터 출구까지 나선형으로 형성되어 있다. 따라서, 이중관 칸막이를 8개의 나선형으로 원추형 내통(유량 유도로, 112)의 외부에 접착 용접 제작하는 방법으로 형성할 수 있다.
8개의 유도관(114) 중에서 제1 유도관(1i)의 형상을 구체적으로 설명하면, 단면을 기준으로 유량 유도로(112)의 상단에서부터 하단까지 유도관(114)이 나선형으로 형성되어 있다. 유입구 쪽에서 수직선을 기준으로 30°내지 45°의 경사를 가지도록 유도관(114)의 기울기가 형성된다. 그리고, 배출구 쪽에서 수직선을 기준으로 30°내지 45°의 경사를 가지도록 유도관(114)의 기울기가 형성된다.
유량 유도로(112)의 유입구 직경과 유출구 직경의 비율평균 값이 1배 내지 3배의 범위에서, 나선형으로 형성된 복수의 유량 유도관(114)의 길이(pitch)를 설정할 수 있다. 유속 가중화 수차 발전 시스템(100)은 하천과 같은 자연 환경에 설치됨으로, 복수의 유량 유도관(114)의 길이를 하나로 고정시켜 설계하지 않고, 유량 유도로(112)의 유입구 직경과 유출구 직경의 비율평균 값이 1배 내지 3배의 범위에서, 설치 환경에 따라 자유롭게 유량 유도관(114)의 길이를 변경할 수 있다.
유량 유도로(112) 및 복수의 유량 유도관(114)을 형성함으로써, 수력에너지를 수차의 기계적 에너지로 변환하는 방법에 있어서, 수차의 회전체(Impeller)에 작용하는 에너지를 반동(Reaction)에 의한 방법과 충동(Impulse)에 의한 방법의 효과를 동시에 얻을 수 있다.
반동 에너지(Reaction Energy)를 얻기 위해 내통의 유량 유도로(112, Internal Guide Channel)의 유입 및 유출구의 단면을 도 2에 도시된 바와 같이, 동심원을 중심으로 유출측의 속도에너지를 증가시키기 위한 방법으로 설치환경에 따른 특정유입속도(Vi)에 따라 산출 설계된 단면비(Ai/Ao)에 의해 증가된 속도(Vo)를 얻어 전기에너지의 회수를 구현할 수 있다. 이 경우, 유속의 변화에 따를 속도에너지, 즉, 출력 가능한 전기에너지의 량은 하기의 수학식 1-5와 같이 산정 할 수 있다.
현재의 사용수량 Q[㎥/sec]이 유입구 측을 흐를 때의 특정 유속 Vi[m/sec]이 유량 유도로(Flow Guide Channel)내로 유입된 후, 원추형 유량 유도로(112) 본체의 단면축소로 인해 변화된 유출 유속은 연속식의 원리에 의해 아래의 수학식 1과 같이 Vo[m/sec]로 증가된다.
[수학식 1]
Q = AiVi = AoVo 에서,
Vo = Ai/Ao * Q, Ai/Ao > 1 이므로,
Vo > Vi
여기서, 유출측에서의 에너지는 단면의 축소로 인해 증가된 속도에너지에 의한 수두와 본 수차발전 시스템의 설치에 따른 저항력에 의한 배수면 상승에 의해 나타나는 위치수두의 합으로 나타나며 다음의 수학식 2와 같이 표현된다.
[수학식 2]
수차에서의 수력에너지의 산정공식은,
Pw = γ * H * Q[kgm/sec]의 식으로 표현되며,
여기서, γ = 물의 비중량으로 1,000 [kg/㎥]을 나타내고, H = 수력 에너지수두[m], Q = 유량[㎥/sec] 을 나타낸다.
또한, 발전 가능량을 결정하는 주요 요인으로 수력에너지수두[m] 와 유량 Q = 유량[㎥/sec]의 산정은 다음과 같이 계산된다. 즉,
H = Ho + Hd + Vo2/(2 * g)[m] 과 Q = AoVo 이므로,
발전 가능량 Pw= γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo [kg m/sec]가 되며,
여기에, 각각의 값은 다음의 설명으로 산정된다.
γ=1,000 [kg/㎥]: 물의 비중량 값이고,
Ho=발전설비가 설치 되기 전 원 수로의 낙차 수위[m]이고,
Hd=발전설비의 설치로 인한 배수면의 상승수위[m]이고,
Vo=유량 유도로에 의해 증가된 유출부유속[m/sec]이고,
Ao=유출부의 단면적[㎡]이고,
g=9.8[m/sec2]이다.
또한, 상기 수학식 2는 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo [kg m/sec]에서 1 KW는 102 kg m/sec가 되므로 발전 가능량은 다음의 식으로 산출 된다.
Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo / 102 [KW]
[수학식 4]
상기식의 결과는 이론산출 가능 발생 전력량이며 이에 수차와 발전기의 효율을 반영하면 다음과 같은 실 생산 전력량 산출식이 된다.
실질 생산전력량; Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo / 102 * ηt * ηg [KW],
여기서, ηt 는 프로펠러 수차의 효율로 0.85~0.9의 범위이고, ηg 는 발전기의 효율로 0.9~0.95이다. 상기 이론적 발생 전력량에 ηt, ηg를 반영하여 실질 생산 전력량을 산출할 수 있다.
그리고, 충동 에너지(Impulse Energy)를 얻기 위해서 도 3에 도시된 바와 같이, 내통의 유량 유도로(112)의 외부에 복수의 유량 유도관(114)을 설치하고, 복수의 유량 유도관(114)을 내통의 외벽을 따라 헬리컬(Helical)곡선의 30도∼45도 기울기 나선형으로 형성하였다. 그리고, 일정 피치(Pitch)를 갖고 내통의 총 길이(L)을 따라 피치(Pitch)길이의 2배∼3배의 나선 리드(Lead)를 가지도록 형성하였다.
이 경우의 유속의 변화에 따라 증가된 유속으로 외통의 유량 유도로(112)에서 분출된 수류로부터의 충동에너지의 출력 가능한 전기에너지의 량은 다음과 수학식 5와 같이 산출할 수 있다.
[수학식 5]
유입구 측 단면적; ai = π/4(Di12-Di22) * 1/8 (여기서, Di1은 외통의 유입구 직경, Di2는 내통의 유입구의 직경)
분출구 측 단면적; ao = π/4(Do12-Do22) * 1/8 (여기서, Do1은 외통의 분출구 직경, Do2는 내통의 분출구 직경)
또한 Q = ai * Vi = ao * vo에서,
Vo = ai/ao * Vi 이므로, 물의 충동에너지가 프로펠러 수차에 전달하는 운동량 Em=M(질량) x V(속도)이고, M(질량)은 ρ(밀도) x Q(유량)로 표시되고, 또한 γ(비중량)= ρ(밀도) x g(중력가속도) 이므로,
충동에너지 즉 발생 전력량 Pw = M x Vo = ρ x Q x Vo 로부터,
Pw = γ * Q * Vo/g = ρ * Q * Vi * (Di12-Di22)/(Do12-Do22)가 된다.
도 5는 도 2에 도시된 프로펠러 수차를 나타내는 도면이고, 도 6는 도 5에 도시된 프로펠러 수차의 외형도를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 프로펠러 수차부(120)는 프로펠러 수차(122)를 포함하며, 프로펠러(112)는 3개 또는 4개의 날개를 포함한다. 도 4에서는 3개의 날개를 포함하는 프로펠러 수차(122)를 도시하고 있다.
프로펠러 수차(122)는 축보스 측에서 30°내지 45° 정도의 입력각을 가지며, 날개 끝단에서는 입력각이 0°내지 15°로 비틀린 구조로 형성되어 있다. 또한, 날개의 본체에서 날개 상하부의 속도차에 의한 양력을 발생시킬 수 있도록 유체 흐름방향에 대해 상부는 전방의 끝단면 원호의 접선방향과 수평면으로 제작하고, 하부는 후방 끝단면 원호의 크기를 크게 하고 접선방향으로 날개의 약 1/3 지점을 가장 두껍게 한 후 전방측 원호의 접선과 연결하여 곡선형태의 두께를 가지도록 제작한다.
이렇게 함으로써 날개 상하부의 유체흐름속도가 하부가 상부보다 빠르게 됨으로써 하부의 압력이 상부보다 작아져 날개의 회전속도방향으로 회전력이 부가 발생할 수 있는 구조를 갖도록 한다.
도 7은 도 2에 도시된 기어장치를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 기어장치(130)는 프로펠러 수차에서 기계적 에너지로 변환된 수력에너지를 발전기에 전달하는 동력전달부품으로서, 동력전달축 연결 커플링(Roller Chain Coupling, 132), 베벨기어(Bevel Gear, 134), 출력측의 토오크 컨버터(Torque Converter, 136) 및 출력 축 탈착용 커플링으로 구성 되어 있다.
동력전달축 연결 커플링(132)은 입력축 과 출력축을 연결 또는 분리시키며 베벨기어(134)는 교차각이 90도로 제작되어 동력전달의 방향을 수평축방향에서 수직축 방향으로 변환함으로써, 동기발전기 시스템을 수중에서 지상에 설치 가능하게 하여 유지관리를 용이하게 한다.
또한, 출력측의 토오크 건버터(136)는 출력축의 축 회전수를 항상 일정하게 유지시킴과 동시에, 동력을 공회전 시킬 수 있는 클러치 기능을 갖고 있어 수력에너지의 변화에 따른 출력축 회전수변화에 대응해 동기발전기의 입력축 회전수를 항상 일정하게 유지시킨다. 이와 함께, 수차부와 발전기부를 분리 시킬 수 있는 기능을 갖고 있어, 발전효율을 높이고 안정화 시킴과 동시에 발전기부위의 유지관리를 용이하게 한다.
도 8은 도 2에 도시된 동기전동기 설비를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 발전 시스템의 운영 및 유지관리의 효율성 향상을 위해서 동기발전기 설비(140)가 지상 플랫폼에 설치되어 있다. 동기발전기 설비(140)는 프로펠러 수차로부터의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 동기발전기와 전력변환장치로써 프로펠러 수차의 회전력에 의해 생산된 교류전원을 직류전원으로 변환하는 컨버터장치와 직류로 변환된 전력을 계통전원(Grid)에 연계할 수 있도록 주파수범위나 위상각차 등을 조절한 후 다시 교류로 전환하는 인버터장치등을 포함하여 구성한다. 기어장치(130)에서 입력된 회전력이 회전자에 전달되고, 회전자의 회전에 의해서 전기자 권선에서 전자기력이 유도되어 발전이 이루어지게 된다. 여기서, 유량이 증감되더라도 기어장치(130)의 토크컨버터(136)에 의해서 일정한 회전력이 동기발전기(140)에 전달되어, 안정적으로 발전이 이루어지도록 한다.
그리고, 베벨기어의 적정 회전수를 위한 기어장치(130)의 증속 및 감속비의 설계는 연결되는 동기발전기의 제작에 맞춰서 설정되며, 아래의 수학식 6, 7과 같이 나타낼 수 있다.
동기발전기 설비(140)는 극수가 24극~60극의 짝수 극으로 제작되고, 교류주파수가 60Hz인 것을 기준으로, 동력전달축의 정격 회전수는 아래의 수학식 6, 7과 같이 산출할 수 있다.
[수학식 6]
N=120 * f/Pole
상기 수학식 6에서, f= 주파수 (60 Hz)
Pole은 24극~60극 사이의 짝수 극.
[수학식 7]
여기서, 예상 수차의 회전수는 동력 에너지의 발생 이론식으로부터,
Ns=N x √P x 1/(H)
상기 수학식 7에서, 기준 회전수 N을 산정하며, 이때의 각 요소는 Ns는 프로펠러 수차의 한계 비속도로 350 rpm∼800 rpm의 범위 이나 본 수차에서는 300 rpm ~ 350 rpm 내외를 기준으로 적용하며 전달 동력 P[KW]는 상기의 식에 의한 발전 동력을 기준하고 수두차 H[m]는 동력을 발생키 위한 속도에너지를 위치에너지로 환산한 값(H=Vo2/2g)을 적용하여 산출 한다.
이에 따라, 베벨기어 박스의 최종 증감속비의 결정은 상기 수학식 6 및 7의 비로서 산출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 하천이나 산업시설의 냉각 방류수, 하 폐수처리시설의 처리 방류수, 저수지나 저류지의 방류수문이 설치되어 있는 수로 및 해류나 조류 등의 해양수로에 설치될 수 있다. 이를 통해서, 유체 흐름속에 장치된 유량유도로(Flow Guide Channel) 본체에 의해 유체가 보유하고 있는 유체에너지(압력 및 위치에너지)를 속도에너지로 변환시켜 전기에너지를 생산 발전하는 시스템이다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 중소유량, 저낙차의 조건에서 유체의 흐름이 갖고 있는 유체에너지를 동일 수로내에 설치된 프로펠러 수차 설비의 기계적 회전에너지로 변환시켜 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 유체에너지의 변환방법으로 우선 유체흐름의 단면적을 감소시킴으로써 속도에너지를 증가시키는 방법에 의한 반동력을 이용함과 동시에, 이중으로 설치된 외통의 유체 유도관을 통해서 분출되는 분출압에 의한 충동력을 함께 활용한 방법을 적용한다. 이를 통해서, 각종 수력발전 방식의 방대한 건설공사의 필요성과 건설시의 환경영향을 최소화하고 특히 중소유량 및 저낙차에 적용하기 위한 적합한 발전 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 발전을 위해 대형 수로공사나 기존수로를 변경 보완 할 필요가 없으며 기존 수로를 그대로 활용하며 설치가 간단하다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 발전을 위한 수력에너지원인 높은 낙차를 필요로 하지 않으며 흐름유량의 속도수두를 활용함으로써 복잡한 부속설비가 필요치 않다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 안정적인 발전을 위해 조속기나 팽창탱크(Surge Tank)등의 부대설비가 필요치 않다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 수차의 회전이 저속으로 운영되어 운전이 안정적이고 정숙하다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 적정 유로형성을 위한 유도로 및 유도관을 본체에 장착하고 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 중소유량, 저낙차에 적합한 소수력에 적용하기에는 적합한 시스템이다.
본 발명의 실시 예에 따른 유속 가중화 수차 발전 시스템은, 시설공사에 환경성 침해의 우려가 없으며 특히 손실되는 유체에너지의 회수 및 신재생에너지 생산에 최적의 발전시스템의 효과가 특징적이다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
하드웨어 구현에서, 처리 유닛들은 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 디지털 신호 처리 디바이스(DSPD), 프로그래밍 가능 로직 디바이스(PLD), 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 프로세서, 제어기, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 여기서 설명한 기능들을 수행하도록 설계된 다른 전자 유닛들, 또는 이들의 조합 내에 구현될 수 있다.
상술한 것은 하나 이상의 실시 예의 실례를 포함한다. 물론, 상술한 실시 예들을 설명할 목적으로 컴포넌트들 또는 방법들의 가능한 모든 조합을 기술할 수 있는 것이 아니라, 당 업자들은 다양한 실시 예의 많은 추가 조합 및 치환이 가능함을 인식할 수 있다. 따라서 설명한 실시 예들은 첨부된 청구범위의 진의 및 범위 내에 있는 모든 대안, 변형 및 개조를 포함하는 것이다. 더욱이, 상세한 설명 또는 청구범위에서 "포함한다"라는 용어가 사용되는 범위에 대해, 이러한 용어는 "구성되는"이라는 용어가 청구범위에서 과도적인 단어로 사용될 때 해석되는 것과 같이 "구성되는"과 비슷한 식으로 포함되는 것이다.
더욱이, 본 출원에서 사용된 바와 같이, "컴포넌트", "모듈", "시스템" 등의 용어는 이에 한정되는 것은 아니지만, 하드웨어, 펌웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어 또는 실행중인 소프트웨어와 같은 컴퓨터 관련 엔티티를 포함하는 것이다. 예를 들어, 컴포넌트는 이에 한정되는 것은 아니지만, 프로세서상에서 실행하는 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능한 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수도 있다. 예시로, 연산 디바이스 상에서 구동하는 애플리케이션과 연산 디바이스 모두 컴포넌트일 수 있다. 하나 이상의 컴포넌트가 프로세스 및/또는 실행 스레드 내에 상주할 수 있으며, 컴포넌트가 하나의 컴퓨터에 집중될 수도 있고 그리고/또는 2개 이상의 컴퓨터 사이에 분산될 수도 있다. 또한, 이들 컴포넌트는 각종 데이터 구조를 저장한 각종 컴퓨터 판독 가능 매체로부터 실행될 수 있다. 컴포넌트들은 하나 이상의 데이터 패킷(예를 들어, 로컬 시스템, 분산 시스템의 다른 컴포넌트와 그리고/또는 신호에 의해 다른 시스템들과 인터넷과 같은 네트워크를 거쳐 상호 작용하는 어떤 컴포넌트로부터의 데이터)을 갖는 신호에 따르는 등 로컬 및/또는 원격 프로세스에 의해 통신할 수 있다.
110: 유량 유도로 본체
112: 유량 유도로
114: 복수의 유도관
120: 프로펠러 수차부
130: 기어장치
140: 동기발전기 설비

Claims (13)

  1. 입구부가 출구부보다 넓게 형성되고, 동심원으로 단면이 감소되는 원추형의 형상을 가지도록 형성된 내통인 유량 유도로와, 상기 유량 유도로의 외부를 감싸도록 입구에서부터 출구까지 나선형으로 형성된 외통인 복수의 유량 유도관을 포함하는 유량 유도로 본체;
    상기 유량 유도로 본체의 상기 유량 유도로 및 상기 유량 유도관으로부터 유입되는 유량에 의해 회전하는 프로펠러 수차를 포함하는 프로펠러 수차부;
    상기 프로펠러 수차부에서 입력된 회전수를 일정 회전수로 유지시키는 기어장치; 및
    상기 기어장치에서 입력된 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 동기발전기 설비;를 포함하며,
    상기 복수의 유량 유도관은 8개의 유도관을 포함하고, 상기 8개의 유도관을 구분시키는 칸막이가 상기 유량 유도로의 시작단부터 끝단까지 나선형으로 형성되며,
    상기 복수의 유량 유도관은 일정 피치(pitch)를 갖고 내통의 총 길이를 따라 피치 길이의 2배 내지 3배의 나선 리드(Lead)를 가지도록 형성되며,
    상기 프로펠러는 복수의 날개를 포함하고, 상기 복수의 유량 유도관으로부터 유입되는 유량은 날개의 끝단 쪽으로 분출되며,
    상기 날개는 날개 하부의 유체흐름속도가 날개 상부의 유체흐름속도보다 빠르도록 형성되고,
    상기 기어장치는 상기 프로펠러 수차부와 상기 동기발전기 설비를 분리시키는 기능을 추가로 구비하는,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유량 유도로 본체 및 상기 프로펠러 수차부는 수면 또는 수면 아래에 배치되고,
    상기 동기발전기 설비는 수면보다 높은 곳에 배치되는,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 유량 유도관은 유입구 쪽에서 수직선을 기준으로 30°내지 45°의 경사를 가지도록 기울기가 형성되고, 배출구 쪽에서 수직선을 기준으로 30°내지 45°의 경사를 가지도록 기울기가 형성된
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 유량 유도로는 유입구 직경이 유출구 직경에 대해 비율평균 값이 1배 내지 3배의 범위에서, 상기 복수의 유량 유도관의 유입구 및 유출구의 직경의 비가 설정된,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 프로펠러는 3개 또는 4개의 날개를 포함하고, 상기 프로펠러는 축보스 측에서 30°내지 45° 의 입력각을 가지며, 날개 끝단에서는 입력각이 0°내지 15°로 비틀린 구조로 형성된,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 기어장치는 90° 직교 교차각을 갖는 베벨기어를 포함하는,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 기어장치에서 출력측에 토오크 컨버터를 설치함으로써 출력축의 축 회전수를 항상 일정하게 유지시키고, 동력을 공회전 시켜 수력에너지의 변화에 따른 출력축 회전수변화에 대응해 동기발전기의 입력축 회전수를 항상 일정하게 유지시키는,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 유량 유도로와 상기 복수의 유량 유도관으로 수력에너지를 수차의 기계적 에너지로 변환시키되,
    수차의 회전체(Impeller)에 작용하는 에너지를 반동(Reaction) 에너지와 충동(Impulse) 에너지로 변환시키는,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    현재의 사용수량 Q[㎥/sec]이 유입구 측을 흐를 때의 특정 유속 Vi[m/sec]이 원추형의 상기 유량 유도로내로 유입된 후, 상기 유량 유도로의 단면축소로 인해 변화된 유출 유속은 연속식의 원리에 의해 아래의 수학식 1과 같이 Vo[m/sec]로 증가되는,
    [수학식 1]
    Q = AiVi = AoVo 에서,
    Vo = Ai/Ao * Q, Ai/Ao > 1 이므로,
    Vo > Vi Ai : 유량 유도로의 유입구 단면 Ao : 유량 유도로의 유출구 단면
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 수차에서의 수력에너지는 하기의 수학식 2, 3과 같이 산출되고,
    [수학식 2]
    Pw = γ * H * Q[kgm/sec]의 식으로 표현되며,
    여기서, γ = 물의 비중량으로 1,000 [kg/㎥]을 나타내고, H = 수력 에너지수두[m], Q = 유량[㎥/sec] 을 나타내고,
    또한, 발전 가능량을 결정하는 주요 요인으로 수력에너지수두[m] 와 유량 Q = 유량[㎥/sec]의 산정은 다음과 같이 계산되고,
    H = Ho + Hd + Vo2/(2 * g)[m] 과 Q = AoVo 이므로,
    발전 가능량 Pw= γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo [kg m/sec]가 되며,
    여기에, 각각의 값은 다음의 설명으로 산정된다.
    γ=1,000 [kg/㎥]: 물의 비중량 값이고,
    Ho=발전설비가 설치 되기 전 원 수로의 낙차 수위[m]이고,
    Hd=발전설비의 설치로 인한 배수면의 상승수위[m]이고,
    Vo=유량 유도로에 의해 증가된 유출부유속[m/sec]이고,
    Ao=유출부의 단면적[㎡]이고,
    g=9.8[m/sec2]이고,
    상기 수학식 2는 하기의 수학식 3으로 변환되고,
    [수학식 3]
    Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo [kg m/sec]에서 1 KW는 102 kg m/sec가 되므로 발전 가능량은 다음의 식으로 산출되고,
    Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo / 102 [KW]인,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 수차와 상기 동기발전기 설비의 효율을 반영하여 실제 생산 가능한 전력량은 하기의 수학식 4와 같이 산출되는,
    [수학식 4]
    실질 생산전력량; Pw = γ * (Ho + Hd + Vo2/(2 * g)) * AoVo / 102 * ηt * ηg [KW],
    여기서, ηt 는 프로펠러 수차의 효율로 0.85~0.9의 범위이고, ηg 는 발전기의 효율로 0.9~0.95인,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 유량 유도관을 통해 생성된 상기 충동 에너지의 출력 가능한 전기 에너지 량은 하기의 수학식 5와 같이 산출되고,
    [수학식 5]
    유입구 측 단면적; ai = π/4(Di12-Di22) * 1/8 (여기서, Di1은 외통의 유입구 직경, Di2는 내통의 유입구의 직경)
    분출구 측 단면적; ao = π/4(Do12-Do22) * 1/8 (여기서, Do1은 외통의 분출구 직경, Do2는 내통의 분출구 직경)
    또한 Q = ai * Vi = ao * vo에서,
    Vo = ai/ao * Vi 이므로, 물의 충동에너지가 프로펠러 수차에 전달하는 운동량 Em=M(질량) x V(속도)이고, M(질량)은 ρ(밀도) x Q(유량)로 표시되고, 또한 γ(비중량)= ρ(밀도) x g(중력가속도) 이므로,
    충동에너지 즉 발생 전력량 Pw = M x Vo = ρ x Q x Vo 로부터,
    Pw = γ * Q * Vo/g = ρ * Q * Vi * (Di12-Di22)/(Do12-Do22)인,
    유속 가중화 수차 발전 시스템.
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