KR101922839B1 - 연직형 수력발전장치 - Google Patents

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KR101922839B1
KR101922839B1 KR1020180044856A KR20180044856A KR101922839B1 KR 101922839 B1 KR101922839 B1 KR 101922839B1 KR 1020180044856 A KR1020180044856 A KR 1020180044856A KR 20180044856 A KR20180044856 A KR 20180044856A KR 101922839 B1 KR101922839 B1 KR 101922839B1
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Abstract

연직형 수력발전장치가 개시된다. 개시된 연직형 수력발전장치는, 지면에 고정설치된 지지프레임에 연결되도록 설치되며 연직방향으로 형성된 수차회전축; 상기 수차회전축을 중심으로 방사상으로 형성된 복수의 암부재; 상기 복수의 암부재의 각각의 말단부에 회전가능하게 설치되며 흐르는 유수에 잠겨 수류에 의해 저항력을 받아 상기 수차회전축을 회전시키며, 상기 수차회전축의 회전에 대해 2:1의 회전비율로 회전되도록 구성되는 복수의 블레이드; 및, 상기 수차회전축과 연결되도록 형성되어, 상기 수차회전축의 회전에 따라 구동되어 전기를 생산하는 발전기;을 포함하며, 상기 복수의 블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 서로 다른 각도를 이루도록 구성되며, 상기 복수의 블레이드 중 하나가 상기 수류의 진행방향에 대해 직각으로 배치된 경우, 나머지 블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 경사지거나 일치되는 방향으로 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

연직형 수력발전장치{Vertical type hydraulic power generators}
본 발명은 하천과 같이 물이 흐르는 곳에 설치되어 수류 에너지에 의한 수차의 회전에 의해 발전기를 가동시킴으로써 전기를 생산하는 수력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수차의 수차회전축을 연직방향으로 설치한 연직형 수력발전장치로서 수차회전축이 연직방향으로 설치된 수차의 일측으로 물을 안내하기 위한 가이드 구조물 없이도 수차의 회전이 원활하도록 개선된 구조를 갖는 수력발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 하천과 같이 강물이 흐르는 곳에 수차를 설치하여 흐르는 물의 유동에너지를 통해 수차를 회전시키고, 이 수차의 회전에 의해 발전기가 회전되게 하여 전기를 생산하는 수력발전장치가 이용되고 있다.
이러한 수력발전장치 중에서는 수차의 수차회전축을 연직방향 즉 강물에 대해 수직방향으로 설치한 형태의 연직형 수력발전장치가 있으며, 이러한 연직형 수력발전장치에 대해 등록실용신안 20-0470787호, 등록특허 10-1003296호, 등록특허 10-1200458호 등에 개시되어 있다.
이러한 연직형 수력발전장치는 수차의 수차회전축이 연직방향으로 설치되어, 물속에 잠겨 있기 때문에, 수차를 회전시키기 위해서는 수차의 일측으로만 강물이 공급되어 수차의 일측에 물의 유동에너지가 전달되어야만 수차가 회전될 수 있으므로, 수차의 일측으로 흐르는 강물을 유도하기 위한 가이드 구조물 등이 꼭 설치되어야 하며, 이에 따라, 수력발전장치의 구조가 대형화되고 복잡화되어 설비비가 많이 소요되는 문제가 있었다.
등록실용신안 20-0470787호 등록특허 10-1003296호 등록특허 10-1200458호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 강물에 잠기는 수차의 수차회전축이 연직방향으로 설치되는 연직형 수력발전장치에서, 수차의 일측으로 물을 안내하는 가이드구조물 없이도 수차회전축의 회전에 따라 수차의 블레이드들이 서로 다른 각도가 되도록 회전되도록 하여 강물의 유동흐름이 수차의 블레이드들 중 일측의 블레이드에만 편중되게 작용하도록 하여 수차가 원활하게 회전할 수 있는 연직형 수력발전장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연직형 수력발전장치는, 지면에 고정설치된 지지프레임에 연결되도록 설치되며 연직방향으로 형성된 수차회전축; 상기 수차회전축을 중심으로 방사상으로 형성된 복수의 암부재; 상기 복수의 암부재의 각각의 말단부에 회전가능하게 설치되며 흐르는 유수에 잠겨 수류에 의해 저항력을 받아 상기 수차회전축을 회전시키며, 상기 수차회전축의 회전에 대해 2:1의 회전비율로 회전되도록 구성되는 복수의 블레이드; 및, 상기 수차회전축과 연결되도록 형성되어, 상기 수차회전축의 회전에 따라 구동되어 전기를 생산하는 발전기;을 포함하며, 상기 복수의 블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 서로 다른 각도를 이루도록 구성되며, 상기 복수의 블레이드 중 하나가 상기 수류의 진행방향에 대해 직각으로 배치된 경우, 나머지 블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 경사지거나 일치되는 방향으로 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 암부재는 상기 수차회전축의 하단으로부터 직각되며 90도 간격으로 4개가 설치되도록 구성되며, 상기 블레이드는 상기 4개의 암부재에 각각 설치되며 원주방향을 따라 순차적으로 90도 간격으로 배치되는 제1블레이드, 제2블레이드, 제3블레이드, 제4블레이드를 포함하도록 구성되며, 상기 제1블레이드가 수류의 진행방향에 대해 직각형태로 배치된 경우에, 상기 제2블레이드는 상기 제1블레이드에 비해 45도 회전된 위치로 배치되며, 제3블레이드는 상기 제1블레이드에 대해 90도 회전된 위치로 배치되며, 상기 제4블레이드는 제1블레이드에 대해 135도 회전된 위치로 배치되도록 구성될 수 있다.
상기 제1블레이드가 상기 수류의 진행방향에 대해 직각 상태인 경우, 상기 제1블레이드에 대해 반시계방향으로 90도 위치에 있는 상기 제2블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 +45도를 이루며, 상기 제1블레이드와 대향되는 위치에 있는 상기 제3블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 일치하며, 상기 제1블레이드에 대해 반시계방향으로 270도 위치에 있는 상기 제4블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 -45도를 이루도록 구성될 수 있다.
상기 수차회전축의 회전을 상기 블레이드의 축부재에 전달하되, 상기 수차회전축의 회전에 대해 상기 블레이드가 1/2의 회전각도로 회전되도록 전달하는 동력전달수단;을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 동력전달수단은, 상기 지지프레임에 고정되며, 상기 수차회전축의 외곽으로 설치되는 제1풀리; 상기 암부재의 말단에 회전되게 설치된 상기 블레이드의 축부재에 형성되는 제2풀리; 상기 제1풀리와 제2풀리를 연결하는 벨트 또는 체인;을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 지지프레임은, 지면에 고정설치된 수직프레임부 ; 및, 상기 수직프레임부에 연결되도록 말단에 상기 수차회전축이 회전가능하도록 설치되는 수평프레임;을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 수평프레임은 상기 수직프레임을 따라 상하 이동가능하도록 구성되며, 상기 수직프레임에 설치되어 상기 수평프레임을 승강시켜 상기 수평프레임의 상하높이를 조절함으로써, 상기 블레이드가 상기 유수에 선택적으로 잠기도록 하는 승강유닛;을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기한 바에 따르면, 본 발명의 연직형 수력발전장치는 수차회전축의 회전에 따라 복수의 블레이드가 수류의 진행방향에 대해 서로 다른 각도를 이루도록 회전되되, 복수의 블레이드 중 수류의 진행방향에 대해 측방에 위치한 하나의 블레이드에 수류가 편중되게 가해지게 되도록 구성되어, 지속적으로 수차회전축이 회전되어 발전이 이루어지는 구조로서, 기존의 연직형 수력발전기에서 수차의 일측으로 수류를 유도하기 위한 가이드 구조물을 설치할 필요가 없어 구조가 간단하면서 설비비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 연직형 수력발전장치는 수차부의 높이를 조절할 수 있는 승강유닛을 구비하고, 강물의 수위를 측정하기 위한 수위센서를 더 포함하여, 감지된 강물의 높이에 따라, 강물의 범람시 수차부를 강물로부터 상승시켜 가동을 중단할 수 있으므로, 비상시 수차의 손상을 방지하여 수력발전장치의 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 연직형 수력발전장치는 블레이드의 회전여부를 검출하는 회전검출센서가 구비되어, 나뭇가지 등으로 인해 블레이드의 회전이 멈춘 경우, 승강유닛의 구동에 따라 수차부를 강물로부터 상승시켜 가동이 중단되도록 함으로써, 블레이드의 손상을 방지해 안전성을 더욱 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연직형 수력발전장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 수차부를 확대하여 나타낸 사시도이고,
도 3은 도 2의 수차부의 동작상태를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 3의 수차부의 수차회전축 및 암부재가 90도 회전된 상태에서의 블레이드의 각도변화를 나타낸 도면이고,
도 5는 도 1의 지지프레임을 측방에서 바라본 상태를 나타낸 도면이고,
도 6은 도 1의 연직형 수력발전장치에 수위센서부가 추가된 구성을 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연직형 수력발전장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 8은 도 5의 고정기어를 나타낸 사시도이다 .
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성 요소들이 이 같은 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만, 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연직형 수력발전장치(100)에 대해서 설명한다.
본 발명의 수력발전장치(100)는 지지프레임(110)과, 상기 지지프레임(110)에 연결되도록 설치되며 유수(강물)의 수류에 의해 회전되는 수차회전축(130), 안부재(140), 블레이드(150), 동력전달수단(160)로 구성된 수차부(A)와, 상기 수차회전축(130)의 회전에 따라 구동되어 전기를 생산하는 발전기(170)를 포함하도록 구성된다.
지지프레임(110)은 지면에 고정되도록 설치되며, 수차부(A)를 지지하기 위한 구성으로, 수직프레임(111)과 수평프레임(115)을 포함하도록 구성된다.
수직프레임(111)은 한 쌍으로 구성되어, 하단부가 지면에 매립된 형태로 고정설치되며, 서로 소정간격 이격된 형태로 형성된다.
수평프레임(115)은 수직프레임(111)으로부터 강물 측을 향해 연장되도록 구성된다.
본 발명에서 각각의 수직프레임(111)은 원형 폴대 형태로 이루어지며, 이 수직프레임(111)을 따라 상하 슬라이딩 이동되는 한 쌍의 슬라이딩부재(112)를 구비하고, 이 한 쌍의 슬라이딩부재(112)를 연결하는 연결판(113a)이 설치되며, 수평프레임(115)은 연결판(113a)으로부터 연장되도록 설치된다. 따라서, 수평프레임(111)은 수직프레임(111)을 따라 상하 이동가능하도록 구성된다.
본 발명의 지지프레임(110)은 연결판(113a)의 하단에 외측으로 돌출되는 지지판(113b)이 구비되고, 이 지지판(113b)에는 발전기(170)가 설치되도록 구성된다. 발전기(170)는 슬라이딩부재(112)의 상하 이동에 따라 함께 상하 이동가능하게 된다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명은 지지프레임(110)에는 승강유닛(120)이 설치되어, 승강유닛(120)의 구동에 따라 수직프레임(111)에 대해 수평프레임(115)을 승강시켜 수차부(A)의 상하높이를 조절하도록 구성된다.
승강유닛(120)은 모터(122), 스크류봉(124), 안내블록(126)을 포함하도록 구성된다.
모터(122)는 한 쌍의 수직프레임(111)의 상단에 설치된 브라켓(113c) 상부에 고정되게 설치되며, 모터(122)의 회전축(122a)은 브라켓(133c)을 하부로 관통하도록 구성된다.
스크류봉(124)은 외주면에 길이방향을 따라 나사산이 형성되도록 구성되며 상단이 모터(122)의 회전축(122a)과 연결되도록 설치되어 모터(122)의 회전에 따라 연동하여 회전되도록 구성되며, 한 쌍의 수직프레임(111) 사이에 수직방향으로 배치되도록 설치된다.
안내블록(126)은 한 쌍의 슬라이딩부재(112)를 서로 연결하도록 구성되며, 스크류봉(124)이 관통되되, 스크류봉(124)과 볼-스크류방식으로 연결되도록 구성된다.
따라서, 모터(122)의 일방향 회전구동에 따라 스크류봉(124)이 일방향으로 회전하게 되면, 안내블록(126)이 상승하면서 한 쌍의 슬라이딩부재(112)도 함께 상방향으로 이동됨으로써, 수평프레임(115)과 함께 수차부(A)도 상승하게 되며, 반대로 모터(122)의 타방향 회전구동에 따라 스크류봉(124)이 타방향으로 회전하게 되면, 안내블록(126)이 하강하면서 한 쌍의 슬라이딩부재(112)도 함께 하방향으로 이동됨으로써, 수평프레임(115)과 함께 수차부(A)도 하강하게 된다. 즉, 본 발명은 승강유닛(120)의 구동에 따라 수차부(A)가 승강하여 높이조절됨으로써 수차부(A)의 블레이드(150)가 강물에 잠기거나 잠기지 않도록 할 수 있다.
모터(122)는 제어부(미도시)에 의해 제어되도록 구성될 수 있으며, 이 제어부(미도시)는 별도의 조작버튼을 구비하여, 사용자의 조작에 따라 모터(122)의 구동을 제어할 수 있도록 구성된다. 아울러, 본 발명은 스마트폰 상에 제어화면을 구비하고, 이 스마트폰과 제어부(미도시)를 통신가능하도록 구성하여, 사용자가 스마트폰을 통해 모터(122)를 구동할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 지지프레임(110)은 수직프레임(111)의 상단과 지면을 경사지게 연결하도록 지지케이블(117)를 설치할 수 있다. 지지케이블(117)는 하단은 지면에 정착된 앵커볼트 등에 결합되어 지면에 고정되도록 구성되고, 상단은 수직프레임(111)의 상단에 용접 등으로 고정되도록 구성된다. 지지케이블(117)는 수평프레임(115) 및 수차부(A)와 대향되도록 설치되어, 수직프레임(111)이 수차부(A)를 보다 안정적으로 지지하도록 한다.
이하에서는 수차부(A)의 구성인 수차회전축(130), 암부재(140), 블레이드(150), 동력전달수단(160)에 대해 설명한다.
수차회전축(130)은 수평프레임(115)의 말단부에 연직방향 즉 수직방향으로 회전가능하도록 설치된다.
수차회전축(130)의 상단은 발전기(170)와 동력전달부(175)를 통해 연결되어, 수차회전축(130)의 회전에 따라 발전기(170)가 가동되어 전기가 생산되도록 구성된다. 여기서, 동력전달부(175)는 수평프레임(115)의 중간부분에 동력연결축(176)이 회전되도록 설치되며, 수차회전축(130)의 상단과 동력연결축(176)의 상단에 각각 풀리(177a,177b)가 설치되고, 이 각각의 풀리(177a,177b)를 벨트나 체인과 같은 연결부재(177c)로 연결하며, 동력연결축(176)의 하단과 발전기(170)의 구동축에는 각각 풀리(178a,178b)가 설치되고, 이 각각의 풀리(178a,177b)를 벨트나 체인과 같은 연결부재(178c)로 연결하도록 구성된다.
상기와 같은 동력전달부(175)의 구성은 일 예에 대한 것으로서, 동력전달부(175)는 수차회전축(130)의 회전이 발전기(170)이 전달되어 발전기(170)이 가동될 수 있으며, 다양한 형태로 구현될 수 있음은 물론이다.
암부재(140)는 소정길이를 갖는 바(bar) 형태로 이루어지며, 수차회전축(130)의 하단으로부터 직각되게 연장형성되며, 복수개로 구성되어, 수차회전축(130)의 하단으로부터 균등하게 방사상으로 직각되게 형성된다. 본 발명에서 복수의 암부재(140)는 4개로 구성되며, 수차회전축(130)을 중심으로 90도 간격으로 형성되도록 구성된다.
블레이드(150)는 판재로 이루어지며, 강물에 잠겨 유수의 수류에 의해 저항력을 받아 수차회전축(130)을 회전시키기 위한 것이다.
블레이드(150)는 각각의 암부재(140) 말단부에 회전가능하게 설치되는 것으로, 본 발명에서 블레이드(140)는 4개로 구성되어 각각의 블레이드(140)가 각각의 암부재(140)의 말단에 회전가능하도록 설치된다.
구체적으로, 블레이드(150)는 제1블레이드(151), 제2블레이드(153), 제3블레이드(155), 제4블레이드(157)를 포함하도록 구성되며,
제1블레이드(151), 제2블레이드(153), 제3블레이드(155), 제4블레이드(157)의 각각의 상단 중간에는 상부로 연장되는 축부재(151a,153a,155a,157a)가 구비되며, 이 축부재(151a,153a,155a,157a)는 각각의 암부재(140)의 말단부(145)에 수직방향으로 회전가능하게 설치된다.
도 1 및 2를 참조하면, 동력전달수단(160)은 수차회전축(130)의 회전을 제1블레이드(151), 제2블레이드(153), 제3블레이드(155), 제4블레이드(157)의 각 축부재(151a,153a,155a,157a)에 전달하여 제1블레이드(151), 제2블레이드(153), 제3블레이드(155), 제4블레이드(157)가 회전하도록 하기 위한 것이다.
동력전달수단(160)은 수차회전축(130) 외곽측에 상하로 이격 설치된 4개의 제1풀리(161)와, 각 축부재(151a,153a,155a,157a)의 상단에 설치된 제2풀리(163)와 제1풀리와(161)와 제2풀리(163)를 연결하는 벨트(165, 또는 체인)을 포함하도록 구성된다. 본 발명에서 제1풀리(161) 및 제2풀리(163)는 벨트연결용 벨트풀리 또는 체인연결용 스프라켓으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1풀리(161)의 중앙에 중공부가 형성된 링형태로 이루어져, 수차회전축(130)이 관통되며, 지지바(162)를 통해 수평프레임(115)의 말단에 고정되도록 설치된다.
즉, 수평프레임(115)의 말단에는 하부로 연장되는 지지바(162)가 형성되며, 이 지지바(162)의 하단부에 4개의 제1풀리(161)가 상하방향으로 소정간격 이격되게 고정되도록 설치된다. 지지바(162)의 하단부는 순차적으로 각각의 제1풀리(161)를 관통한 상태에서, 제1풀리(161)와 지지바(162)가 용접이나 볼트등의 체결수단에 의해 결합고정되도록 구성된다. 이때, 4개의 제1풀리(161)의 중공부에 수차회전축(130)이 관통되며, 수차회전축(130)과 각각의 제1풀리(161)는 서로 이격되어 분리된 상태로 설치된다. 따라서, 4개의 제1풀리(161)는 수평프레임(115)에 대해 고정된 상태이고, 수차회전축(130)은 고정된 상태의 제1풀리(161) 내측에서 수평프레임(115)에 대해 회전가능한 형태로 구성된다. 이때, 수차회전축(130)과 제1풀리(161)의 회전중심은 동일축상에 형성될 것이다.
또한, 제2풀리(163)는 각 축부재(151a,153a,155a,157a) 상단부에 설치되어 4개로 구성되며, 4개의 제2풀리(163)와 4의 제1풀리(161)는 각각의 벨트(165)를 통해 일대일로 연결되도록 구성된다.
상기한 구성으로, 강물의 수류에 의해 블레이드(151,153,155,157)가 저항력을 받게 되면, 수차회전축(130)과 함께 각각의 암부재(140)가 회전되게 되고, 이 수차회전축(130)과 암부재(140)의 회전에 따라 벨트(165)가 고정상태의 제1풀리(161)를 타고 이동되면서 이와 연결된 제2풀리(163)가 소정각도로 회전되어, 블레이드(151,153,155,157)가 각 암부재(140)의 말단부(145)에 대해 회전될 수 있다.
즉, 수차회전축(130)의 회전이 동력전달수단(160)에 의해 블레이드(151,153,155,157)의 각 축부재(151a,153a,155a,157a)에 전달되어 블레이드(151,153,155,157)가 각 암부재(140)의 말단부(145)에서 회전될 수 있다.
본 발명에서, 동력전달수단(160)의 제1풀리(161)와 제2풀리(163)의 각각의 직경은 수차회전축(130)의 1회전에 대해 각 블레이드(151,153,155,157)가 1/2의 회전이 이루어지도록 하는 크기로 이루어진다. 즉, 수차회전축(130)의 회전각도에 대해 각 블레이드(151,153,155,157)가 암부재(140)의 말단부에서 1/2의 회전각도로 회전되게 되는 것이다.
한편, 상기에서 본 발명의 동력전달수단(160)은 제1풀리(161), 제2풀리(163), 벨트 또는 체인(165)으로 구성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수차회전축(130)의 회전을 2:1의 회전비로 각 블레이드(151,153,155,157)의 각 축부재(151a,153a,155a,157a)에 동력전달할 수 있는 구성이면, 다양한 형태의 동력전달구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명은 4개의 각 블레이드(151,153,155,157)가 수류의 진행방향에 대해 서로 다른 각도를 이루도록 구성되며, 구체적으로, 각 블레이드(151,153,155,157)는 45도 각도차를 이루도록 구성된다.
도 3을 참조하면, 제1블레이드(151)는 수류의 진행방향에 대해 직각방향으로 구성되고, 제2블레이드(153)는 수류의 진행방향에 대해 +45도 각도를 이루도록 경사지게 구성되며, 제3블레이드(155)는 수류의 진행방향과 일치하도록 구성되며, 제4블레이드는 수류의 진행방향에 대해 -45도 각도를 이루도록 경사지게 구성된다.
이와 같이 배치된 각 블레이드(151,153,155,157)가 수류에 잠긴 상태에서 수류의 유동에너지를 받게 되면, 제1블레이드(151)에 가장 큰 저항력이 발생되고, 제1블레이드(151)와 대향되게 설치된 제3블레이드(155)는 수류와 일치되게 배치되어 수류의 저항을 거의 받지 않게 되며, 나머지 제2블레이드(153)와 제4블레이드(157)도 제1블레이드(151)에 비해서는 수류에 대해 저항력을 덜 받게 됨으로써, 제1블레이드(151)에 가해지는 수류의 유동에너지를 통해 수차회전축(130)이 회전되게 된다. 여기서, 수류에 의해 가장 큰 저항력을 받는 블레이드는 수직프레임(111)으로부터 먼쪽에 위치하는 블레이드가 되도록 구성되는 것이 바람직하다.
다시 말해, 본 발명은 각 블레이드(151,153,155,157)는 수류의 진행방향에 대해 서로 다른 각도를 이루어, 각 블레이드(151,153,155,157)들 중 수류의 진행방향에 대해 좌측 또는 우측에 위치하는 하나의 블레이드(151)에 수류의 유동에너지가 편중되게 가해지도록 됨으로써 수차회전축(130)이 회전되게 된다. 본 실시 예에서는 도 3과 같이, 각 블레이드(151,153,155,157) 중 수류의 진행방향에 대해 좌측에 위치하는 블레이드가 수류의 유동에너지를 가장 많이 받을 수 있도록 하여 수차회전축(130)이 회전될 수 있게 된다.
이와 같이 수차회전축(130)이 회전되는 경우, 수차회전축(130)과 함께 암부재(140)도 회전되게 되며, 이 수차회전축(130)의 회전이 동력전달수단(160)에 의해 2:1의 회전비로 각 블레이드(151,153,155,157)에 전달됨으로써, 각 블레이드(151,153,155,157)들도 각 암부재(140)의 말단에 회전하여 수류의 진행방향에 대해 이루는 각도가 변하게 된다.
도 3과 같은 각 블레이드(151,153,155,157)의 배치상태에서, 수차회전축(130)이 도 4와 같이 90도 회전하는 경우, 도 3에 도시된 제1블레이드(151)가 도 4와 같이 암부재(140)가 90도 회전된 위치에 오게 되며, 이때, 제1블레이드(151)는 수류의 진행방향에 대해 +45도 경사지도록 +45도 회전된 상태가 된다. 아울러, 도 3에 도시된 제2블레이드(153)도 도 4와 같이 암부재(140)가 90도 회전된 위치로 이동하며, 이때, 제2블레이드(153)는 암부재(140)에 대해 45도 회전하여 수류의 진행방향과 일치하는 형태로 배치되게 된다.
또한, 도 3에 도시된 제3블레이드(155)는 도 4와 같이, 암부재(140)가 90도 회전된 위치로 이동하게 되며, 이때, 제3블레이드(155)는 암부재(140)에 대해 45도 회전하여 수류의 진행방향에 대해 -45도 경사진 상태로 배치되게 된다.
또한, 도 3에 도시된 제4블레이드(157)는 도 4와 같이, 암부재(140)가 90도 회전된 위치로 이동하게 되며, 이때, 제4블레이드(155)는 암부재(140)에 대해 45도 회전하여 수류의 진행방향에 대해 직각이 되도록 배치된다.
결국, 각 블레이드(151,153,155,157)는 수차회전축(130) 및 암부재(140)의 회전과 함께, 원주상을 따라 이동되면서 수차회전축(130)의 회전에 대해 2:1의 회전비로 회전각도 변경되며, 각 블레이드(151,153,155,157) 중 수류의 진행방향(또는 하천의 폭방향)에 대해 좌측 위치로 이동된 하나의 블레이드가 수류의 진행방향에 대해 직각을 이루는 형태로 각도 변경되어져 강물의 수류가 각 블레이드(151,153,155,157) 중 수류의 진행방향에 대해 좌측 위치로 이동된 하나의 블레이드에 편중되게 가해짐으로써, 지속적으로 수차회전축(130)이 회전될 수 있으며, 이 지속적인 수차회전축(130)의 회전에 따라 발전기(170)이 회전가동되면서 발전이 이루어지게 된다.
이처럼, 본 발명의 각 블레이드(151,153,155,157)는 수차회전축(130) 및 암부재(140)의 회전과 함께 회전하되, 수차회전축(130)의 회전량에 비해 1/2의 회전량 만큼 암부재(140)의 말단부(145)에서 회전하도록 구성되도록 구성되며, 각 블레이드(151,153,155,157)는 각 위치에서 수류의 진행방향에 대해 서로 다른 각도로 갖도록 구성되어, 각 블레이드(151,153,155,157) 중 수류의 진행방향에 대해 좌측으로 이동된 블레이드에 수류가 편중되어 가해지도록 됨으로써, 수차회전축(130)이 회전되는 방식이므로, 기존의 연직형 수력발전장치와 같이, 연직설치된 수차의 일측으로 유수를 가이드하기 위한 가이드 구조물을 설치할 필요없이도 수차부(A)의 회전이 원활하게 이루어져 효율적인 발전이 이루어질 수 있을 뿐 아니라, 유수를 가이드하기 위한 가이드 구조물의 설치비용을 없앨 수 있어, 설비비를 현저히 절감할 수 있다.
한편, 상기에서 본 발명은 승강유닛(120)이 사용자의 조작에 의해 구동되어, 수차부(A)의 높이를 조절함으로써 블레이드(150)가 선택적으로 강물에 잠기도록 구성하는 것으로 설명하였으나, 도 6을 참조하면, 본 발명은 수직프레임(111)의 상단에 강물측으로 연장되는 연장프레임(119)이 설치되고, 이 연장프레임(119)의 말단에 강물의 수위를 검출할 수 있는 적외선타입, 초음파타입, 광학타입 등의 수위센서(180)가 설치되며, 제어부(미도시)가 수위센서(180)로부터 감지된 강물의 수위로부터 강물이 범람된 것으로 판닫되면, 승강유닛(120)의 모터(122)를 제어하여 자동으로 블레이드(150)가 강물에 잠기지 않도록 수차부(A)를 상승시켜 줄 수 있도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 홍수 등으로 인한 강물의 범람시 자동으로 블레이드(150)가 강물에 잠기지 않도록 수차부(A)가 상승동작을 수행하여 발전이 중단되게 해 줌으로써, 장치의 손상을 방지하여 안전성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 도시하지는 않았지만, 본 발명은 각 암부재(140)의 말단부에 축부재(151a,153a,155a,157a)의 회전여부를 검출할 수 있는 홀센서 등의 회전검출센서를 각각 설치하고, 제어부는 이 각각의 회전검출센서로부터 축부재(151a,153a,155a,157a)의 회전여부를 감지하여 승강유닛(120)을 구동시켜 블레이드(150)가 강물에 잠기지 않도록 수차부(A)를 상승시킬 수 있다.
즉, 블레이드(150)가 강물에 잠겨 수차회전축(130)이 회전하면서 발전이 이루어지고 있는 상태에서, 강물을 타고 내려오는 나무가지 등의 이물질에 의해 블레이드(150)가 회전되지 못하는 경우가 발생하게 되면, 회전검출센서를 통해 블레이드(150)가 회전되지 않는 것이 검출되고, 제어부는 회전검출센서에서 블레이드(150)의 회전정지를 검출하는 경우, 장치보호를 위해 승강유닛(120)을 구동시켜 수차부(A)가 강물에서 이격되게 상승시킬 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연직형 수력발전장치에 대해 설명한다.
제 2 실시 예에는 제 1 실시 예의 수력발전장치에 비해, 동력전달수단(160')의 구성에 차이가 있을 뿐, 나머지 구성에 대해서는 동일하다.
본 실시 예에서 동력전달수단(160')은 수차회전축(130)의 회전을 2:1을 회전비로 각 블레이드(151,153,155,157)의 축부재(151a,153a,155a,157a)에 전달하기 위한 구성으로서, 고정기어(167), 위성기어(169)를 포함하도록 구성된다.
고정기어(167)는 외주면에 기어치차가 형성된 평기어(스퍼기어)로 이루어지며, 중앙에 중공부(167a)가 형성된 형태로 이루어진다. 고정기어(167)의 상면 양측에는 상부로 연장되는 한 상의 고정바(168)가 형성되며, 이 한 쌍의 고정바(168)의 상단이 수평프레임(115)의 하단에 고정된 형태로 이루어진다. 또한, 고정기어(167)는 수차회전축(130)과 동일축을 갖도록 수차회전축(130)이 관통되며, 중공부(167a)의 내주면이 수착회전축(130)의 외주면과 이격배치되도록 구성된다.
위성기어(169)는 외주면에 기어치차가 형성된 평기어 형태로 이루어지며, 위성기어(169)는 4개로 구성되어, 블레이드(151,153,155,157)의 각 축부재(151a,153a,155a,157a) 상단에 각각 설치되며, 각각의 위성기어(169)는 고정기어(167)와 기어치차가 치합되어 기어연결된 형태로 이루어진다. 아울러, 본 발명에서 고정기어(167)와 위성기어(169)의 잇수비는 1:2로 구성된다.
상기한 구성으로, 수차회전축(130)과 함께 각각의 암부재(140)가 회전함에 따라, 위성기어(169)의 치차가 고정기어(169)의 치차를 타고 이동하면서 위성기어(169)와 함께 각각의 블레이드(151,153,155,157)가 수차회전축(130)의 회전각도에 대해 1/2의 회전각도로 회전되게 된다.
즉, 수차회전축(130)의 2회전 당 각각의 블레이드(151,153,155,157)는 각 암부재(140)의 말단부(145)에 대해 1회전하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라, 도 3 및 도 4와 같이, 수차회전축(130)의 회전각도에 대해, 각 블레이드(151,153,155,157)들은 1/2 각도로 회전될 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직할 실시 예와 관련하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물도 본 발명의 범주에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
110...지지프레임
111...수직프레임
115...수평프레임
120...승강유닛
122...모터
124...스크류봉
126...안내블록
130...수차회전축
140...암부재
150...블레이드
151...제1블레이드
153...제2블레이드
155...제3블레이드
157...제4블레이드
160...동력전달수단
161...제1풀리
163...제2풀리
165...벨트
167...고정기어
169...위성기어
170...발전기
180...수위센서

Claims (7)

  1. 지면에 고정설치된 지지프레임에 연결되도록 설치되며 연직방향으로 형성된 수차회전축;
    상기 수차회전축을 중심으로 방사상으로 형성된 복수의 암부재;
    상기 복수의 암부재의 각각의 말단부에 회전가능하게 설치되며 흐르는 유수에 잠겨 수류에 의해 저항력을 받아 상기 수차회전축을 회전시키며, 상기 수차회전축의 회전에 대해 2:1의 회전비율로 회전되도록 구성되는 복수의 블레이드; 및,
    상기 수차회전축과 연결되도록 형성되어, 상기 수차회전축의 회전에 따라 구동되어 전기를 생산하는 발전기;을 포함하며,
    상기 복수의 블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 서로 다른 각도를 이루도록 구성되며,
    상기 복수의 블레이드 중 하나가 상기 수류의 진행방향에 대해 직각으로 배치된 경우, 나머지 블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 경사지거나 일치되는 방향으로 배치되도록 구성되며,
    상기 지지프레임은,
    지면에 고정설치된 수직프레임; 및,
    상기 수직프레임에 연결되며, 말단에 상기 수차회전축이 회전가능하도록 설치되는 수평프레임;을 포함하며,
    상기 수평프레임은 상기 수직프레임을 따라 슬라이딩 이동되는 슬라이딩부재에 연결되도록 구성되어 상기 슬라이딩부재와 함께 상기 수직프레임을 따라 상하 이동가능하도록 구성되며,
    상기 수직프레임에 설치되어 상기 수평프레임을 승강시켜 상기 수평프레임의 상하높이를 조절함으로써, 상기 블레이드가 상기 유수에 선택적으로 잠기도록 하는 승강유닛;을 더 포함하며,
    상기 승강유닛은,
    상기 수직프레임의 상단에 설치된 브라켓 상부에 고정설치되는 모터;
    외주면에 나사산이 형성되며 상단은 상기 모터의 회전축과 연결되도록 설치되어 상기 모터의 회전에 따라 연동하여 회전되도록 구성되며 수직방향으로 배치되도록 설치되는 스크류봉;
    상기 슬라이딩부재에 설치되며 상기 스크류봉이 관통되되 상기 스크류봉과 볼-스크류방식으로 연결되도록 구성된 안내블록;을 포함하도록 구성되어,
    상기 모터의 회전구동에 의한 상기 스크류봉의 회전에 따라 상기 안내블록이 승강하면서 상기 수평프레임도 함께 승강되어 상기 블레이드가 상기 유수에 잠기거나 잠기지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 암부재는 상기 수차회전축의 하단으로부터 직각되며 90도 간격으로 4개가 설치되도록 구성되며,
    상기 블레이드는 상기 4개의 암부재에 각각 설치되며 원주방향을 따라 순차적으로 90도 간격으로 배치되는 제1블레이드, 제2블레이드, 제3블레이드, 제4블레이드를 포함하도록 구성되며,
    상기 제1블레이드가 수류의 진행방향에 대해 직각형태로 배치된 경우에, 상기 제2블레이드는 상기 제1블레이드에 비해 45도 회전된 위치로 배치되며, 제3블레이드는 상기 제1블레이드에 대해 90도 회전된 위치로 배치되며, 상기 제4블레이드는 제1블레이드에 대해 135도 회전된 위치로 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1블레이드가 상기 수류의 진행방향에 대해 직각 상태인 경우, 상기 제1블레이드에 대해 반시계방향으로 90도 위치에 있는 상기 제2블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 +45도를 이루며, 상기 제1블레이드와 대향되는 위치에 있는 상기 제3블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 일치하며, 상기 제1블레이드에 대해 반시계방향으로 270도 위치에 있는 상기 제4블레이드는 상기 수류의 진행방향에 대해 -45도를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수차회전축의 회전을 상기 블레이드의 축부재에 전달하되, 상기 수차회전축의 회전에 대해 상기 블레이드가 1/2의 회전각도로 회전되도록 전달하는 동력전달수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 동력전달수단은,
    상기 지지프레임에 고정되며, 상기 수차회전축의 외곽으로 설치되는 제1풀리;
    상기 암부재의 말단에 회전되게 설치된 상기 블레이드의 축부재에 형성되는 제2풀리;
    상기 제1풀리와 제2풀리를 연결하는 벨트 또는 체인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지프레임에 설치되어 수위를 검출하는 수위센서; 및,
    상기 수위센서로부터 감지된 수위에 따라 강물이 범람된 것으로 판단되면 상기 모터를 제어하여 상기 블레이드가 상기 유수에 잠기지 않도록 상기 수평프레임을 상승시키는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전장치.




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