KR101944805B1 - 관로 내장형 소수력 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유량에 따라 블레이드의 각도가 조절되어 블레이드가 일정한 속도로 회전되게 함으로써, 과다한 유량에 의한 발전기의 과부하를 방지하고, 유량이 적을 때도 전기 생산을 원활하게 할 수 있는 관로 내장형 소수력 발전기에 관한 것으로, 관로에 흐르는 유체의 양에 따라 블레이드의 각도가 변경되도록 하여, 유체의 양이 많은 경우에는 블레이드의 고속 회전에 의한 발전기의 과부하를 방지하고, 유체의 양이 적은 경우 블레이드가 발전기가 전기 생산하기에 충분한 속도로 회전할 수 있도록 하여, 관로에 흐르는 유량과 관계없이 안정적인 전력 생산을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

관로 내장형 소수력 발전기 {Pipe Line Built-in Type Small-scale Hydroelectric Generator}
본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 유량에 따라 블레이드의 각도가 조절되어 블레이드가 일정한 속도로 회전되게 함으로써, 과다한 유량에 의한 발전기의 과부하를 방지하고, 유량이 적을 때도 전기 생산을 원활하게 할 수 있는 관로 내장형 소수력 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 전력 생산은 주로 수력발전, 화력발전, 원자력 발전에 의해 이루어지고 있으나, 화력발전의 경우 화석 연료의 소비로 인한 환경오염을 야기하고, 원자력 발전은 원전 사고 발생의 위험이 있다.
그래서 대체 발전수단으로 청정에너지인 태양력, 풍력, 조력 발전에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 태양력과 풍력의 경우 설치 장소가 점점 늘어나고 있는 추세이다.
이 밖에도 댐이나 하천, 저수지의 취수장에서 정수처리된 물이나, 농업용수나 공업용수를 수요자에게 공급할 때 사용되는 급수관 또는 건물 옥상에 위치한 취수탑이나 물탱크로부터 각 사용처에 물을 공급할 때 사용되는 급수관 내부에 설치되어, 급수관 내부에서 물이 흐를 때 발생하는 에너지를 이용한 소수력 발전에 대한 관심도 높아지고 있다.
이러한 소수력 발전을 통해 건물에서 소비하는 전력을 일부분 자체적으로 충당하고자 하는 기술들이 공지되어 있다.
그러나 급수관 내부에서는 물이 흐르는 양이 상황에 따라 다르기 때문에, 급수관 내부에 설치된 소수력 발전기는 유량이 많은 경우 블레이드가 너무 빠른 속도로 회전하여 발전기에 과부하가 걸려서 고장 나는 경우가 빈번하게 발생하였고, 유량이 적은 경우 블레이드가 너무 느리게 회전하여 전력 생산이 제대로 이루어지지 않는 문제가 있다.
KR 10-1499626 B1 KR 10-0780316 B1
본 발명의 목적은 급수관이나 배수관에 설치되어 관을 통과하는 유체의 흐름을 운동에너지로 이용하되, 유체의 흐르는 양에 따라 블레이드의 각도가 변경되도록 하여 유체의 양이 많을 경우 블레이드의 고속 회전에 의한 과부하로부터 발전기를 보호하고, 유체의 양이 적을 경우에도 원활하게 회전하도록 하여 유량과 관계 없이 일정한 발전량을 얻을 수 있는 관로 내장형 소수력 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명은 유체(20)가 이동하는 관로(10) 상에 설치되어, 상기 유체(20)의 흐름을 운동에너지로 이용하여 발전하는 관로 내장형 소수력 발전기에 있어서, 상부에 상기 유체(20)와 접촉되어 힘을 받는 블레이드날(110)이 형성되고, 하부에 기둥 역할을 하는 블레이드기둥(120)이 형성되며, 상기 블레이드기둥(120)의 하부 외주연 상에 브라켓(130)이 형성되어, 상기 관로(10)의 중앙을 중심으로 복수가 방사상으로 배치되어, 상기 관로(10)에 흐르는 유체(20)의 운동에너지에 의해 회전하는 블레이드(100); 중심축이 상기 유체(20)의 이동 방향과 일직선을 이루며, 내부에 중공형의 공간부(212)가 형성되어 상기 블레이드기둥(120)을 상기 유체(20)의 이동방향과 직교하도록 고정해주며, 상기 블레이드기둥(120)의 하부 외주연 둘레를 감싸주도록 고정되어 상기 블레이드기둥(120)을 축으로써 회전 가능하도록 고정해주는 허브베어링(220)이 구비되어 상기 블레이드(100)와 함께 회전하는 허브조립체(200); 상기 허브조립체(200)의 후단에 중심축이 일치하도록 설치되어 상기 허브조립체(200)와 함께 회전하며 경사진 허브기어날(310)이 구비된 허브기어(300); 상기 허브기어(300)의 후단과 이격되게 배치되며, 중심축이 상기 허브기어(300)와 일치하도록 설치되고, 후단에 풀리축(430)이 형성되어 상기 허브기어(300)와 함께 회전하는 풀리(400); 상기 풀리(400)의 전면에서 상기 허브기어(300)의 후단과 방사상으로 치합되도록 배치되어, 상기 풀리(400)의 전면을 수직으로 직선 왕복 운동함에 따라 상호 간격이 서로 넓어지거나 좁아지는 복수의 링크기어(500); 선단은 상기 공간부(212)의 내측에 위치하되, 복귀스프링(640)이 삽입되어 상기 브라켓(130)과 연결되고, 후단은 상기 링크기어(500)의 하부와 연결되며, 상기 허브기어(300)가 전진 또는 후진함에 따라 상기 링크기어(500)의 간격이 서로 넓어지면 후진하고, 상기 복귀스프링(640)의 탄성력에 의해 상기 링크기어(500)의 간격이 서로 좁아지면서 전진하는 링크조립체(600); 및 상기 풀리축(430)과 치합되어 회전하는 메인축(710)이 상기 관로(10)의 외측으로 연장되도록 형성되고, 상기 메인축(710)의 회전에 의한 운동 에너지로 전기를 생산하는 발전기(700);를 포함한다.
나아가 본 발명의 상기 링크기어(500)는, 일측에 링크기어몸체(540)가 형성되고, 타측에 경사진 링크기어날(510)이 형성되며, 상기 링크기어몸체(540)의 외주연 상에 링크걸이(520)가 형성되며, 상기 링크조립체(600)는, 상기 공간부(212) 내부에서 상기 브라켓(130)과 인접하게 판 형상의 링크고정판(610)이 설치되고, 상기 링크고정판(610)으로부터 연장되는 막대 형상의 링크고정부재(630)가 형성되며, 상기 링크고정부재(630)의 후단에서 링크홀(522)이 형성되고, 상기 링크고정판(610)은 블레이드링크(620)로 상기 브라켓(130)과 연결되며, 상기 링크홀(522)은 기어링크(650)로 상기 링크걸이(520)와 연결된다.
한편, 본 발명의 상기 블레이드(100)는, 상기 블레이드(100)가 관로(10)에 유입된 유체(20)에 의해 뒤로 밀리면, 상기 허브조립체(200)와 상기 허브기어(300)가 동시에 후진하며, 상기 링크기어(500)는 상기 허브기어(300)에 의해 서로 간격이 넓어지고, 상기 링크조립체(600)의 후진에 따라 상기 블레이드기둥(120)이 상기 허브베어링(220)에 가이드되어 후방으로 회전하여, 상기 블레이드날(110)의 각도가 상기 유체(20) 양이 많아질수록 상기 유체(20)의 이동 방향과 평행에 가까워져서 회전 속도가 줄어든다.
아울러 본 발명의 상기 블레이드(100)는, 상기 복귀스프링(640)의 탄성력이 관로(10)에 유입된 유체(20)의 이동력보다 클때, 상기 링크조립체(600)와 상기 허브기어(300)가 전진하며, 상기 링크기어(500)는 상기 허브기어(300)에 의해 서로 간격이 좁아지고, 상기 링크조립체(600)의 전진에 따라 상기 블레이드기둥(120)이 상기 허브베어링(220)에 가이드되어 전방으로 회전하여, 상기 블레이드날(110)의 각도가 상기 유체(20) 양이 적어질수록 상기 유체(20)의 이동 방향에 대하여 수직에 가까워져서 회전 속도가 증가한다.
본 발명의 상기 허브기어(300)의 경사진 허브기어날(310)과 상기 링크기어(500)의 경사진 링크기어날(510)의 경사각도가 동일하다.
본 발명의 상기 링크기어날(510)의 길이는 상기 허브기어(300)의 허브기어날(310)의 길이보다 길다.
본 발명은 관로(10)에 흐르는 유체(20)의 양이 많고 적음에 따라 블레이드(100)의 각도가 변경되도록 하여, 유체(20)의 양이 많은 경우에는 블레이드(100)의 고속 회전에 의한 발전기(700)의 과부하를 방지하고, 유체(20)의 양이 적은 경우 블레이드(100)가 발전기(700)가 전기 생산하기에 충분한 속도로 회전할 수 있도록 하여, 관로(10)에 흐르는 유량과 관계없이 안정적인 전력 생산을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 관로(10)에 흐르는 유체(20)의 양이 많은 경우 블레이드날(110)의 각도가 유체(20)의 이동 방향과 평행에 가깝게 변경되어, 블레이드(100)가 유체(20)의 흐름에 따른 운동에너지를 적게 받도록 하여, 블레이드(100)의 고속 회전으로 인한 발전기(700)의 과부하를 방지해주는 효과가 있다.
아울러 본 발명은 관로(10)에 흐르는 유체(20)의 양이 적은 경우 블레이드날(110)의 각도가 유체(20)의 이동 방향에 대하여 수직에 가깝게 변경되어, 블레이드(100)가 유체(20)의 흐름에 따른 운동에너지를 충분히 받도록 하여, 블레이드(100)의 충분한 회전을 통해 발전기(700)에서 전기를 원활하게 생산할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 정면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 블레이드(100)를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 블레이드(100), 허브조립체(200) 및 링크조립체(600)를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 링크기어(500)를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 풀리(400)와 링크기어(500)를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 링크조립체(600)를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 단면도로 링크조립체(600)의 이동을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기가 관로(10) 상에 설치된 것을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 유체는 물을 의미하며, 관로는 물이 흐르는 관으로 수도관, 급수관, 배수관, 상수관 등을 비롯하여 물이 흐르는 관을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 정면도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 단면도이다.
도 2에서는 발전기(700)의 도시를 생략하였으며, 허브조립체(200)와 링크조립체(600) 만 단면을 도시하였다.
블레이드(100)는 관로의 내부에서 유체의 흐름에 따라 힘을 받아 회전하는 것으로, 상부에 얇은 판 형상의 블레이드날(110)이 형성되고, 하부에 기둥 역할을 하는 블레이드기둥(120)이 일체로 형성된다.
블레이드(100)는 복수가 관로(10)의 중앙을 중심으로 방사상으로 배치된다. 이때 사용되는 블레이드(100)의 개수는 관로(10)의 직경에 따라 달라진다. 각각의 블레이드날(110)은 관로에서 흐르는 유체와 접촉되어 힘을 받게 된다.
블레이드기둥(120)은 원기둥 형태로 형성된다. 블레이드기둥(120)의 하단에서 외주연 상에는 브라켓(130)이 형성된다. 브라켓(130)에는 후술할 링크조립체(600)가 연결된다.
허브조립체(200)는 복수의 블레이드(100)를 고정해주며, 블레이드(100)와 함께 회전하는 것으로, 중심축이 유체의 이동 방향과 일직선을 이루도록 배치된다. 허브조립체(200)는 방사상으로 배치된 블레이드(100)를 고정해주는 허브몸체(210)가 구비된다. 허브몸체(210)는 내부에 중공형으로 공간부(212)가 형성된다. 블레이드(100)는 허브몸체(210)에서 유체의 이동방향과 직교하도록 고정된다. 이때 블레이드기둥(120)은 공간부(212)의 내측으로 노출되게 된다. 허브몸체(210)는 타원형 또는 원형으로 형성되어 유체가 관로를 흐를때 저항을 덜 받도록 형성된다.
블레이드기둥(120)의 하부에는 허브베어링(220)이 억지끼움으로 고정된다. 허브베어링(220)은 블레이드기둥(120)의 하부 외주연 둘레를 감싸주도록
허브베어링(220)은 내륜이 블레이드기둥(120)의 하부에 억지끼움으로 고정되고, 외륜이 허브몸체(210)의 공간부(212)에 고정된다. 블레이드기둥(120)은 허브베어링(220)에 가이드되어 제자리에서 회전할 수 있다. 즉 허브베어링(220)은 블레이드기둥(120)이 회전할 수 있도록 축 역할을 하게 된다.
허브몸체(210)의 선단에는 유선형의 허브캡(250)이 설치된다. 허브캡(250)은 전방이 뾰족한 유선형으로 형성되어 관로 내에서 유체가 흐를 때 발생하는 저항을 최소화해준다.
허브몸체(210)는 중앙에서 후방으로 관통하는 허브몸체관통공(230)이 원형으로 형성된다. 그리고 허브몸체(210)의 후단에는 허브고정플레이트(240)가 설치된다. 허브고정플레이트(240)는 후술할 허브기어(300)의 선단을 허브몸체(210)의 후단에 견고하게 고정해주는 역할을 한다. 허브고정플레이트(240)에도 허브몸체관통공(230)과 동일선상으로 플레이트관통공(242)이 원형으로 관통형성된다.
허브기어(300)는 허브조립체(200)의 후단에서 중심축이 일치하도록 설치되는 것으로, 허브조립체(200)와 함께 회전 한다. 허브기어(300)의 선단이 앞서 설명한 허브고정플레이트(240)에 의해 허브몸체(210)에 견고하게 고정된다. 허브기어(300)의 선단은 짧은 원기둥 형태로 형성되고, 후단은 끝단이 평탄한 원뿔형상으로 형성된다. 후단의 외주연에는 경사진 허브기어날(310)이 형성된다. 허브기어날(310)는 직선베벨기어 형태로 형성된다.
아울러 허브기어(300)에는 일직선으로 중심축을 원형으로 관통하는 허브기어관통공(320)이 형성된다.
풀리(400)는 허브기어(300)에서 후단으로 이격되게 배치되는 것으로, 중심축이 허브기어와 일치하도록 설치된다. 풀리(400)의 후단에는 풀리축(430)이 형성된다. 풀리(400)는 허브기어(300)와 함께 회전한다.
풀리(400)는 짧은 원기둥 형태로 형성된다. 풀리(400)의 전면에는 복수의 슬라이드홈(410)이 중심에서 외측으로 뻗어나가도록 방사상으로 형성된다. 슬라이드홈(410)은 후술할 링크기어(500)와 대응되는 개수만큼 형성된다.
풀리(400)의 외주연에는 풀리홈(420)이 형성된다. 풀리홈(420)에는 벨트가 끼워져, 벨트가 발전기와 연결될 수 있다. 풀리축(430)은 후술할 발전기(700)의 메인축(710)과 연결된다.
링크기어(500)는 복수가 풀리(400)의 전면에 설치되는 것으로 전술한 허브기어(300)와 치합되어, 허브기어(300)의 전진 또는 후진에 따라 서로 간격이 넓어지거나, 좁아진다. 링크기어(500)는 풀리(400)와 함께회전한다.
링크기어(500)는 후단이 짧은 원통형으로 형성되고, 선단이 허브기어(300)의 선단과 대칭되게 형성된다. 즉 선단은 끝이 평탄한 원뿔 형상으로 형성된다. 이때 링크기어(500)의 선단의 외주연에는 경사진 링크기어날(510)이 형성되며, 상기 링크기어날(510)의 길이는 상기 허브기어(300)의 허브기어날(310)의 경사진 허브기어날(310)의 길이보다 길게 형성하고 상기 경사각도는 동일하다. 따라서, 링크기어날(510)은 직선베벨기어의 형태로 형성된다.
링크기어(500)의 후단 외주연 상에는 바깥쪽으로 돌출된 링크걸이(520)가 형성된다. 링크걸이(520)에는 원형의 기어링크홀(522)이 관통형성된다. 그리고 링크기어(500)의 후단면에는 뒤집어진 'T'형상의 슬라이드(530)가 일직선으로 형성된다.
링크걸이(520)에는 후술할 링크조립체(600)의 기어링크(650)가 연결된다. 슬라이드(530)는 전술한 풀리(400)의 슬라이드홈(410)에 헐거운 끼움 결합된다. 슬라이드(530)는 슬라이드홈(410)에 가이드되어 직선 왕복 운동하게 된다. 복수의 링크기어(500)가 풀리(400)의 전면 중앙을 중심으로 슬라이드홈(410)에 각각 끼워져 위아래로 직선 왕복 하게 된다. 이를 통해 링크기어(500)는 풀리(400)의 전면에서 방사상으로 배치되며, 중심에는 허브기어(300)가 치합된다. 즉 허브기어(300)의 허브기어날(310)과 링크기어(500)의 링크기어날(510)이 치합된다.
복수의 링크기어(500)는 풀리(400)의 저면에서 슬라이드홈(410)을 따라 직선 왕복 운동함에 따라 간격이 서로 넓어지거나 좁아질 수 있다. 간격이 서로 넓어지는 경우에는 허브기어(300)가 후진으로 인하여, 허브기어(300)와 치합된 링크기어(500)의 간격이 서로 넓어지게 된다.
링크조립체(600)는 허브몸체(210)의 공간부(212)에 위치한 블레이드기둥(120)의 하부와 링크기어(500)의 링크걸이(520)를 연결해주는 것으로, 링크조립체(600)가 후진하면 블레이드기둥(120)이 후방을 향해 회전하고, 전진하면 블레이드기둥(120)이 전방을 향해 회전한다.
링크조립체(600)은 원형 막대 형상의 링크고정부재(630)가 구비되고, 링크고정부재(630)의 선단에는 장방형 또는 원형의 링크고정판(610)이 형성된다. 링크고정판(610)은 링크고정부재(630)의 직경보다 부피가 크게 형성된다.
링크고정부재(630)의 선단측과 링크고정판(610)은 허브몸체(210)의 공간부(212)에 위치하게 된다. 링크고정부재(630)는 허브몸체(210)의 중심축과 일직선이 되도록 위치한다. 링크고정부재(630)의 후단측은 차례로 허브몸체관통공(230), 플레이트관통공(242) 및 허브기어관통공(320)을 관통한다. 그래서 후진 또는 전진할 때 허브몸체(210)와 허브기어(300)에 방해없이 원활하게 움직일 수 있다.
링크고정판(610)은 브라켓(130)과 인접한 위치에 만들어진다. 링크고정판(610)의 표면에는 블레이드(100)의 개수와 대응되게 고정구(612)가 형성된다. 고정구(612)와 브라켓(130)에는 블레이드링크(620)가 끼워진다. 블레이드링크(620)는 막대 형상으로 만들어진다.
블레이드링크(620)를 통해 블레이드기둥(120)과 링크고정판(610)이 원활하게 움직일 수 있다. 블레이드링크(620)는 고정구(612)와 브라켓(130) 사이에서 자유자재로 움직일 수 있도록 설치된다. 이를 위해 블레이드링크(620)의 선단은 브라켓(130)과 헐거운 끼움 결합되고, 후단은 링크고정판(610)에 형성된 고정구(612)와 헐거운 끼움 결합된다.
한편, 링크고정부재(630)의 선단측에는 복귀스프링(640)이 삽입된다. 복귀스프링(640)의 선단은 링크고정판(610)에 의해 막혀지고, 후단은 허브몸체(210)의 후단에 형성된 스프링단턱(232)에 의해 막혀진다. 복귀스프링(640)은 압축스프링으로 링크고정부재(630)가 후진하면 수축하고, 탄성력에 의해 링크고정부재(630)를 전진시켜준다.
링크고정부재(630)의 후단에는 복수의 고정링크홀(632)이 형성된다. 고정링크홀(632)의 개수는 링크기어(500)와 대응되게 만들어진다. 고정링크홀(632)에는 막대 형상의 기어링크(650)가 연결된다. 기어링크(650)는 링크고정부재(630)의 후단과 링크기어(500)의 하단을 연결해준다.
기어링크(650)의 선단은 고정링크홀(632)에 헐거운 끼움 결합되고, 후단은 링크기어(500)의 링크걸이(520)에 형성된 기어링크홀(522)에 헐거은 끼움 결합된다. 기어링크(650)는 고정링크홀(632)과 기어링크홀(522) 사이에서 자유자재로 움직일 수 있다.
발전기(700)는 메인축(710)을 회전시켜 전기를 생산하는 전기를 생산하는 것으로, 메인축(710)이 풀리(400)의 풀리축(430)과 연결된다. 메인축(710)이 풀리축(430)과 함께 회전하여, 회전력을 이용해 운동에너지를 전기로 변환해준다.
한편, 발전기(700)는 후단에 피고정면에 고정하기 위한 발전기고정플레이트(720)가 설치된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 블레이드(100)를 나타낸 도면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 블레이드(100), 허브조립체(200) 및 링크조립체(600)를 나타낸 도면이다.
도 3은 블레이드(100)와 링크조립체(600)의 결합관계와 작용을 나타낸 도면이다. 여기서 (a)는 블레이드(100)를 기준으로 정면을 나타낸 것이며, (b)는 (a)를 우측면에서 바라본 모습을 나타낸 것이다. 도 4에서는 허브조립체(200)의 도시를 일부 생략하여 나타내었다.
블레이드(100)는 블레이드날(110)의 하부에 블레이드기둥(120)이 형성된다. 블레이드기둥(120)에는 허브베어링(220)이 억지 끼움 결합으로 고정된다. 블레이드기둥(120)에는 허브베어링(220)의 고정을 위한 기둥단턱(122)이 형성된다. 기둥단턱(122)으로 블레이드기둥(120)이 두 부분으로 구획되게 된다.
블레이드(100)는 허브베어링(220)을 축으로 회전이 가능하게 된다. 아울러 블레이드기둥(120) 상에는 허브베어링(220)의 고정을 위한 고정링홈(140)이 형성되고, 고정링홈(140)에는 고정링(222)이 설치되어 허브베어링(220)의 위치를 견고하게 고정해준다.
블레이드기둥(120)의 하단 외주연에는 외측으로 돌출되는 브라켓(130)이 형성된다. 브라켓(130)은 블레이드링크(620)로 링크고정판(610)에 형성된 고정구(612)와 연결되게 된다. 블레이드에 대한 기재에서 상부와 하부는 도 1, 도 2, 도 4와 같이 블레이드를 도시한 도면을 기준으로 설명하기 위한 상대적인 위치를 제시한 것으로 실제와는 차이가 있을 수 있다.
링크고정부재(630)가 후진 또는 전진하게 되면, 링크고정판(610)이 움직이게 되고, 링크고정판(610)과 브라켓(130) 사이가 블레이드링크(620)로 연장되어 있기 때문에, 링크고정부재(630)의 전진 또는 후진에 따라 블레이드기둥(120)이 회전하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 링크기어(500)를 나타낸 도면이다.
도 5에서 (a)는 링크기어(500)의 정면에서 바라본 모습을 나타낸 것이며, (b)는 (a)를 좌측에서 바라본 모습을 나타낸 것이고, (c)는 (a)를 아래에서 바라본 모습을 나타낸 것이다.
링크기어(500)을 상부에는 원뿔형상의 링크기어날(510)이 형성되고, 하부에는 원기둥 형태로 링크기어몸체(540)가 형성된다. 링크기어날(510)과 링크기어몸체(540)는 일체형으로 만들어 진다.
링크기어몸체(540)의 하단 외주연 상에는 외측으로 링크걸이(520)가 돌출된다. 링크걸이(520)에는 기어링크홀(522)이 관통형성된다.
그리고 링크기어몸체(540)의 저면에는 뒤집어진 'T' 형상의 슬라이드(530)가 돌출형성된다. 슬라이드(530)는 링크기어몸체(540)의 저면을 일직선으로 가로지르도록 형성된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 풀리(400)와 링크기어(500)를 나타낸 도면이다.
도 6에서 (a)는 풀리(400)를 정면에서 바라본 모습을 나타낸 것이며, (b)는 (a)를 좌측을 기준으로 바라본 상태에서 슬라이드홈(410)에 링크기어(500)가 끼워진 것을 나타낸 것이고, (c)는 (a)를 아래 방향에서 바라본 상태로 각 슬라이드홈(410)에 링크기어(500)기 끼워진 것을 나타낸 것이다. 아울러 도 6의 (a)에서 풀리(400)의 일부를 단면으로 나타내었다.
풀리(400)의 상면에는 단면이 뒤집어진 'T' 형상을 가지도록 복수의 슬라이드홈(410)이 형성된다. 슬라이드홈(410)은 풀리(400)의 상면 중앙에서 외측 방향으로 방사상으로 형성된다. 아울러 링크기어(500)는 슬라이드홈(410)을 따라 직선 왕복 운동을 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기에서 링크조립체(600)를 나타낸 도면.
도 7에서 (a)는 링크조립체(600)를 정면에서 바라본 모습을 나타낸 것이며, (b)는 (a)를 아래에서 바라본 상태로 고정링크홀(632)에 기어링크(650)가 끼워진 것을 나타낸 것이다.
링크고정부재(630)는 원형 막대형상으로 형성된다. 링크고정부재(630)의 하단에는 일부가 아래 방향으로 돌출되어 복수의 고정링크홀(632)이 형성된다. 고정링크홀(632)은 링크기어(500)의 개수와 대응되도록 원형에서 균등하게 배치된다. 그리고 고정링크홀(632)에는 각각의 기어링크(650)가 끼워진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 단면도, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 단면도로 링크조립체(600)의 이동을 나타낸 도면이다. 도 2와 8에서는 발전기(700)의 도시를 생략하였으며, 허브조립체(200)와 링크조립체(600) 만 단면을 도시하였다. 도 8은 링크조립체(600)가 후방으로 이동된 것을 나타낸 것이며, 도 2는 링크조립체(600)가 복귀스프링(640)에 의해 전방으로 이동된 것을 나타낸 것이다.
관로(10, 도9 참조)에 많은 유체(20, 도9 참조)가 지나가게 되면, 유체(20)의 힘(이동력)에 의해 블레이드(100)가 뒤로 밀리게 되고, 허브조립체(200)와 허브기어(300)가 동시에 뒤로 밀리게된다. 이때 링크기어(500)는 기어링크(650)에 의해 허브기어(300)가 후진함에 따라 서로 간격이 넓어지게 된다. 아울러 링크조립체(600)의 후진에 따라 블레이드기둥(120)의 브라켓(130)이 링크고정판(610)과 블레이드링크(620)에 의해 후방으로 회전하게 된다. 이때 블레이드기둥(120)은 허브베어링(220)에 의해 가이드되어 원활하게 회전할 수 있다.
블레이드기둥(120)이 회전함에 따라 블레이드날(110)의 각도가 변경되게 된다. 즉 다시 말해서 블레이드날(110)의 각도가 유체(20)이 많아질수록 유체(20)의 이동 방향과 평행에 가까워지게 된다.
그에 따라 블레이드(100)에 작용되는 유체(20)의 힘이 적어지게 되므로, 블레이드(100)의 회전 속도가 줄어들게 된다. 이를 통해 관로(10) 상에 유체(20)의 양이 많은 경우에도 블레이드(100)가 고속으로 회전하지 않기 때문에 발전기(700)의 과부하가 방지된다.
반대로 관로(10)에 적은 유체(20)가 지나가게 되면, 복귀스프링(640)의 탄성력이 유체(20)의 이동력보다 크게 되어 링크고정판(610)의 전방으로 이동하게 되고, 그에 따라 링크고정부재(630)도 전방으로 이동하게 된다. 그리고 이때 링크기어(500)는 기어링크(650)에 의해 허브기어(300)가 전진함에 따라 서로 간격이 좁아지게 되고, 허브조립체(200)와 블레이드(100)도 전진하게 된다.
아울러 링크조립체(600)의 전진에 따라 블레이드기둥(120)의 브라켓(130)이 링크고정판(610)과 블레이드링크(620)에 의해 전방으로 회전하게 된다. 이때 블레이드기둥(120)은 허브베어링(220)에 의해 가이드되어 원활하게 회전된다.
블레이드기둥(120)이 회전함에 따라 블레이드날(110)의 각도가 변경되게 된다. 다시 말해서 블레이드날(110)의 각도가 유체(20)가 적어질수록 유체(20)의 이동 방향에 대하여 수직에 가까워지게 된다.
그에 따라 블레이드(100)에 작용되는 유체(20)의 힘이 커지게 되므로, 블레이드(100)의 회전 속도가 증가하게 된다. 이를 통해 관로(10) 상에 유체(20)의 양이 적은 경우에도 블레이드(100)가 충분한 속도로 회전하게 됨으로써 원활하게 발전기(700)에 의해 전기가 생산될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기가 관로(10) 상에 설치된 것을 나타낸 도면이다.
본 발명의 소수력 발전기는 관로(10)의 내부에서 유체(20)의 낙차가 발생하는 장소에 설치된다. 즉 유체(20)의 낙차가 발생하는 지점에 블레이드(100)와 허브조립체(200)가 위치하게 된다. 그래서 유체(20)의 흐름으로 발생되는 운동 에너지에 의해 블레이드(100)가 회전하게 되고, 블레이드(100)와 함께 허브기어(300), 링크기어(500) 및 발전기(700)의 메인축(710)이 동시에 회전하게 되어, 전력 생산이 이루어진다.
이때 메인축(710)을 견고하게 고정하기 위하여 관로(10) 내에 별도의 고정축(800)을 추가로 구비할 수 있다.
(a)는 고정축을 정면에서 바라본 것을 나타낸 것으로, 중앙에 메인축(710)이 제자리에서 헛돌 수 있도록 고정해주고, 중앙 외측은 복수의 고정대(810)가 방사상으로 관로(10)의 내주연까지 연장되도록 배치된다. 그래서 블레이드(100)의 회전 시 발생하는 흔들림으로 인한 메인축(710)의 흔들림을 최소화해준다.
한편, 메인축(710)은 관로(10) 외측에 위치한 발전기(700)까지 연장된다. 메인축(710)에서 관로(10)를 관통하는 부분에는 관로(10) 내부의 유체(20)가 외부로 새지 않도록 해주는 메카니컬씰(730)이 설치된다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관로 내장형 소수력 발전기의 개략도이다.
도 10은 도 9에서 설명한 발전기(700)의 운용 형태가 아닌 다른 형태로써의 발전기(700)의 운용 형태를 나타낸 것으로, 앞서 설명한 실시예를 포함한다.
즉 앞서 설명한 실시예에서는 발전기(700)의 메인축(710)을 풀리(400)의 풀리축(430)과 연결하여 발전기(700)를 운용하였는데, 다른 실시예에서는 발전기(700)를 풀리(400)의 풀리홈(420)에 V벨트(440)를 설치도록 하고, 발전기(700)에도 V벨트(440)를 연결할 수 있는 발전기풀리축(740)을 두어, 동력 전달을 V벨트(440)를 통해 이루어지도록 한 것이다.
이 경우 블레이드(100)를 견고하게 고정하기 위한 별도의 고정부재(150)가 마련된다. 다른 실시예는 발전기(700)를 블레이드(100)의 위 또는 아래에 이격해서 설치하고자 할 경우 이용할 수 있다. 한편, 고정부재(150)와 발전기(700)는 기초 콘크리트(30) 위에 견고하게 고정될 수 있다.
10 : 관로 20 : 유체 30 : 기초 콘크리트
100 : 블레이드
110 : 블레이드날 120 : 블레이드기둥 122 : 기둥단턱
130 : 브라켓
140 : 고정링홈
150 : 고정부재
200 : 허브조립체
210 : 허브몸체 212 : 공간부
220 : 허브베어링 222 : 고정링
230 : 허브몸체관통공 232 : 스프링단턱
240 : 허브고정플레이트 242 : 플레이트관통공
250 : 허브캡
300 : 허브기어
310 : 허브기어날 320 : 허브기어관통공
400 : 풀리
410 : 슬라이드홈 420 : 풀리홈 430 : 풀리축
440 : V벨트
500 : 링크기어
510 : 링크기어날 520 : 링크걸이 522 : 기어링크홀
530 : 슬라이드 540 : 링크기어몸체
600 : 링크조립체
610 : 링크고정판 612 : 고정구 620 : 블레이드링크
630 : 링크고정부재 632 : 고정링크홀 640 : 복귀스프링
650 : 기어링크
700 : 발전기
710 : 메인축 720 : 발전기고정플레이트 730 : 메카니컬씰
740 : 발전기풀리축
800 : 고정축
810 : 고정대

Claims (6)

  1. 유체(20)가 이동하는 관로(10) 상에 설치되어, 상기 유체(20)의 흐름을 운동에너지로 이용하여 발전하는 관로 내장형 소수력 발전기에 있어서,

    상부에 상기 유체(20)와 접촉되어 힘을 받는 블레이드날(110)이 형성되고, 하부에 기둥 역할을 하는 블레이드기둥(120)이 형성되며, 상기 블레이드기둥(120)의 하부 외주연 상에 브라켓(130)이 형성되어, 상기 관로(10)의 중앙을 중심으로 복수가 방사상으로 배치되어, 상기 관로(10)에 흐르는 유체(20)의 운동에너지에 의해 회전하는 블레이드(100);
    중심축이 상기 유체(20)의 이동 방향과 일직선을 이루며, 내부에 중공형의 공간부(212)가 형성되어 상기 블레이드기둥(120)을 상기 유체(20)의 이동방향과 직교하도록 고정해주며, 상기 블레이드기둥(120)의 하부 외주연 둘레를 감싸주도록 고정되어 상기 블레이드기둥(120)을 축으로써 회전 가능하도록 고정해주는 허브베어링(220)이 구비되어 상기 블레이드(100)와 함께 회전하는 허브조립체(200);
    상기 허브조립체(200)의 후단에 중심축이 일치하도록 설치되어 상기 허브조립체(200)와 함께 회전하며 경사진 허브기어날(310)이 구비된 허브기어(300);
    상기 허브기어(300)의 후단과 이격되게 배치되며, 중심축이 상기 허브기어(300)와 일치하도록 설치되고, 후단에 풀리축(430)이 형성되어 상기 허브기어(300)와 함께 회전하는 풀리(400);
    상기 풀리(400)의 전면에서 상기 허브기어(300)의 후단과 방사상으로 치합되도록 배치되어, 상기 풀리(400)의 전면을 수직으로 직선 왕복 운동함에 따라 상호 간격이 서로 넓어지거나 좁아지는 복수의 링크기어(500);
    선단은 상기 공간부(212)의 내측에 위치하되, 복귀스프링(640)이 삽입되어 상기 브라켓(130)과 연결되고, 후단은 상기 링크기어(500)의 하부와 연결되며, 상기 허브기어(300)가 전진 또는 후진함에 따라 상기 링크기어(500)의 간격이 서로 넓어지면 후진하고, 상기 복귀스프링(640)의 탄성력에 의해 상기 링크기어(500)의 간격이 서로 좁아지면서 전진하는 링크조립체(600); 및
    상기 풀리축(430)과 치합되어 회전하는 메인축(710)이 상기 관로(10)의 외측으로 연장되도록 형성되고, 상기 메인축(710)의 회전에 의한 운동 에너지로 전기를 생산하는 발전기(700);를 포함하는 관로 내장형 소수력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링크기어(500)는,
    일측에 링크기어몸체(540)가 형성되고, 타측에 경사진 링크기어날(510)이 형성되며, 상기 링크기어몸체(540)의 외주연 상에 링크걸이(520)가 형성되며,

    상기 링크조립체(600)는,
    상기 공간부(212) 내부에서 상기 브라켓(130)과 인접하게 판 형상의 링크고정판(610)이 설치되고, 상기 링크고정판(610)으로부터 연장되는 막대 형상의 링크고정부재(630)가 형성되며, 상기 링크고정부재(630)의 후단에서 링크홀(522)이 형성되고, 상기 링크고정판(610)은 블레이드링크(620)로 상기 브라켓(130)과 연결되며, 상기 링크홀(522)은 기어링크(650)로 상기 링크걸이(520)와 연결되는 관로 내장형 소수력 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 블레이드(100)는,
    상기 블레이드(100)가 관로(10)에 유입된 유체(20)에 의해 뒤로 밀리면, 상기 허브조립체(200)와 상기 허브기어(300)가 동시에 후진하며, 상기 링크기어(500)는 상기 허브기어(300)에 의해 서로 간격이 넓어지고, 상기 링크조립체(600)의 후진에 따라 상기 블레이드기둥(120)이 상기 허브베어링(220)에 가이드되어 후방으로 회전하여, 상기 블레이드날(110)의 각도가 상기 유체(20) 양이 많아질수록 상기 유체(20)의 이동 방향과 평행에 가까워져서 회전 속도가 줄어드는 관로 내장형 소수력 발전기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 블레이드(100)는,
    상기 복귀스프링(640)의 탄성력이 관로(10)에 유입된 유체(20)의 이동력보다 클때, 상기 링크조립체(600)와 상기 허브기어(300)가 전진하며, 상기 링크기어(500)는 상기 허브기어(300)에 의해 서로 간격이 좁아지고, 상기 링크조립체(600)의 전진에 따라 상기 블레이드기둥(120)이 상기 허브베어링(220)에 가이드되어 전방으로 회전하여, 상기 블레이드날(110)의 각도가 상기 유체(20) 양이 적어질수록 상기 유체(20)의 이동 방향에 대하여 수직에 가까워져서 회전 속도가 증가하는 관로 내장형 소수력 발전기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 허브기어(300)의 경사진 허브기어날(310)과 상기 링크기어(500)의 경사진 링크기어날(510)의 경사각도가 동일한 관로 내장형 소수력 발전기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 링크기어날(510)의 길이는 상기 허브기어(300)의 허브기어날(310)의 길이보다 긴 관로 내장형 소수력 발전기.

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KR102508134B1 (ko) 2022-11-22 2023-03-09 주식회사 그람 림 구동형 소수력 발전기

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