KR101959850B1

KR101959850B1 - 모듈화된 소수력 발전 시스템

Info

Publication number: KR101959850B1
Application number: KR1020180083993A
Authority: KR
Inventors: 김현준
Original assignee: 김현준
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2019-03-20

Abstract

본 발명은 모듈화된 소수력 발전 시스템에 관한 것으로, 유수로에서 취수된 물을 상부로 유입시키고, 하단의 배수구에서 배수하는 과정에서 형성되는 와류의 회전력을 이용하여 수차를 회전시키고, 수차의 회전력을 이용하여 발전기를 회전시켜 발전함으로써 유수로의 낙차가 낮은 지역에서도 효율적인 발전이 가능하고, 소수력 발전모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 물을 효율적으로 이용할 수 있으며, 취수량이 적은 지역에서도 효과적인 발전이 가능하고, 전력수용가들의 분포에 따라 적합한 설치가 가능하며, 유입된 물이 와류를 일으키면서 배수되는 과정에서 용존산소량이 증가하게 되어 수질을 개선할 수 있도록 한 것이다.

Description

모듈화된 소수력 발전 시스템{System for increasing capacity of small hydropower generation system using modularization}

본 발명은 모듈화된 소수력 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 유수로의 낙차가 낮은 지역에서도 효율적인 발전이 가능하며, 취수량이 적은 지역에서도 효과적인 발전이 가능하고, 전력수용가들의 분포에 따라 적합한 설치가 가능하며, 수질을 개선할 수 있도록 한 모듈화된 소수력 발전 시스템에 관한 것이다.

통상의 수력발전시설은 댐과, 댐의 낙차에 의하여 낙하하는 물에 의하여 회전하는 터빈과, 터빈에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기를 포함하는 대형 수력발전소가 대표적인 시설이다.

이러한 대형 수력발전시설의 문제점과 한계로 인하여 대형 수력발전 외에 수량이 적고 낙차가 크지 않은 지형조건에서도 이용할 수 있는 소수력 발전장치가 연구되고 있다.

이러한 소수력 발전장치는 대개 시설용량이 10,000kW 이하의 수력발전을 의미하며, 비교적 적은 비용으로 설치할 수 있고, 입지 조건이 까다롭지 않으며, 댐과 같은 대규모 시설물이 필요하지 않아 자연파괴나 수몰 등의 문제를 해결할 수 있고, 산간벽지와 같이 수요가 적고 원격된 전력수용가 인근에 설치하여 복잡한 송, 배전시설이 필요 없다는 장점을 가지고 있다.

현재 우리나라에서 이루어지고 있는 소수력 발전은 대개 물막이 보를 이용한 것으로 가뭄이나 집중 호우시 그 피해를 줄일 수 있는 이점이 있지만 대규모 수력발전의 댐과 유사한 측면이 있어서 발전 장치가 설치되는 장소는 충분한 낙차가 있는 지형이어야 하며 이에 따른 소수력 발전에 비해 입지의 제한이 있다.

또한 어느 정도의 낙차 및 영역이 확보되어야 하는 관계로 하천을 따라 가까운 범위 내에 복수의 발전시설을 설치하여 발전하는 것도 어렵고, 하천의 주변 유역에 대한 생태 변화 및 수질 악화를 초래할 염려가 있다.

종래 소수력 발전장치와 관련한 선행기술로서 대한민국 등록특허 제10-1194712호(2012.10.19. 등록) "와류의 회전력을 이용한 발전장치"(이하, '선행기술 1'이라 함)는 흐르는 물을 와류로 변환시키기 위해 일측에 편중된 상태로 연결되는 물 유입부가 상부에 형성되고, 하부 중앙에 제1 배수구가 형성되는 원통형의 고정 수조와, 고정 수조의 내측 바닥면에 설치되어 구름 동작하는 회전용 롤러와, 회전용 롤러에 바닥면이 접촉하도록 설치되며, 하부 중앙에 고정 수조의 제1 배수구와 대응되는 제2 배수구가 형성되고 내측 바닥면으로부터 소정 높이로 돌출된 날개지지틀이 형성되는 원통형의 회전 수조와, 일단이 제1, 제2 배수구에 삽입되어 고정 수조의 내측에 회전 가능하게 세워져 설치되는 회전축과, 회전축에 길이 방향을 따라 일단이 고정되는 내측 직선 날개부와, 내측 직선 날개부의 타단으로부터 절곡되게 연장 형성되어 회전 수조의 날개지지틀에 고정되는 외측 곡선 날개부를 포함하여 흐르는 물에 의한 와류의 회전력을 상기 회전축에 전달하는 제 1 날개 및 회전 수조의 날개지지틀에 고정되며, 고정수조의 물 유입부를 통해 유입된 물에 의한 와류의 회전력을 제 1 날개에 전달하는 제 2 날개를 포함하여, 급경사면은 물론 비교적 완만한 경사면의 지형에 설치되어 흐르는 물을 와류로 변환시키는 동시에 코리올리 효과(coriolis effect)를 통해 와류의 회전을 가속하여 그 회전력을 통해 발전하며, 이에 따라 기존의 소수력 발전과 달리 낙차에 크게 구애되지 않아 설치 장소의 확보가 비교적 자유로운 동시에 비교적 근거리의 범위 내에 다수 설치하여 비교적 큰 발전 용량을 확보할 수 있도록 한다는 기술을 개시하고 있습니다.

상기 선행기술 1은 물 유입부에서 유입되는 물이 수조의 접선방향으로 유입됨에 따라 발생하는 와류와, 배수구에서 배수되는 과정에서 코리올리 효과에 의하여 발생하는 와류를 이용하는 것이다.

그러나 상기 선행기술 1은 물 유입부에서 수조의 접선 방향으로 유입되는 물에 의하여 발생하는 와류는 유입 초기에는 어느 정도 발생될 수 있으나, 수조에 물이 차오른 다음에는 발생되는 와류의 힘이 급격히 저하될 뿐만 아니라, 배수구에서 물이 배수되는 과정에서 코리올리 효과에 의해 와류가 발생할 수 있으나, 배수구의 중심에 회전축이 삽입되어 있기 때문에 코리올리 효과에 의한 와류 발생이 충분히 이루어지지 않게 되기 때문에 날개를 회전시키기 위한 동력을 충분히 얻을 수 없어 발전 효율이 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자(출원인)는 대한민국 등록특허 제10-1485993호(2016.01.19. 등록) "물소용돌이 발생을 이용한 소수력 발전장치"(이하, '선행기술 2'라 함)를 개발한 바 있다.

상기 선행기술 2는 원통형의 수조, 이 수조 상부에 일측으로 치우져서 수조가 이루는 곡선에 접하도록 연결되며, 수로와 연결되는 단부로부터 수조와 연결되는 단부인 연결부로 갈수록 수로폭이 좁아지는 테이퍼부를 가지는 유수인입부, 수조의 내부에 설치되며, 내부에 부력증강용 공기실을 가지거나 자체가 물에 잘 뜨는 물체를 포함하는 중심부와 중심부의 빗면 혹은 측면을 둘러가면서 설치되는 복수의 회전날개를 구비하는 부력수차, 중심부의 회전중심축의 회전력을 전달받아 발전을 하는 발전기를 구비하여 이루어지고, 수조의 저면 중앙부에는 수조에서 소용돌이를 일으키는 물이 대기 중에 낙하 배출될 수 있는 배출구가 위치하고, 유수인입부의 연결부는 수조와 연결될 때 물이 회전하는 방향이 코리올리 힘에 의해 물이 배출구에서 회전하게 되는 방향과 같은 방향이 되도록 일측이 정해지는 것으로,

설치 면적이 크지 않아 하천의 유역을 변경시키거나 파괴하지 않고, 입지에 있어서도 비교적 자유로워 낙차가 크지 않고 서로 인접한 복수 개소에도 설치하여 소수력 발전을 실시할 수 있고, 발전과 동시에 물이 소용돌이를 이루며 낙하할 때 유입되는 공기로 인하여 발생하는 버블로 수차의 회전을 증가시키고 물에 산소 용존율을 높여 수질을 향상, 개선시킬 수 있도록 한 기술을 개시하고 있다.

본 발명자는 상기 선행기술 1의 장치를 현장에 설치하기 위하여 반복적으로 실험하고 실제 설치하여 적용하여 왔으며, 현장에 적용하는 데에 더욱 적합하도록 한 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

대한민국 등록특허 제10-1194712호(2012.10.19. 등록) "와류의 회전력을 이용한 발전장치" 대한민국 등록특허 제10-1485993호(2016.01.19. 등록) "물소용돌이 발생을 이용한 소수력 발전장치"

따라서 본 발명의 목적은 유수로의 낙차가 낮은 지역에서도 효율적인 발전이 가능하도록 한 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 취수량이 적은 지역에서도 효과적인 발전이 가능하도록 한 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전력수용가들의 분포에 따라 적합한 설치가 가능하도록 한 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수질을 개선할 수 있도록 한 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공하려는 것이다.

따라서 본 발명은 상하단이 개방되고 상단 직경이 크고 하단으로 갈수록 점차 직경이 작아지는 수조주벽과, 상기 수조주벽의 하단에 결합되며 중앙에 배수구가 형성된 수조바닥을 가지는 수조와; 상기 수조의 상단 외경에 대응하는 내경을 가지는 원통형으로 형성되는 외통주벽과, 상기 외통주벽의 하단에 결합되며 상기 수조바닥과의 사이에 저류공간을 형성하는 외통바닥과, 상기 외통주벽의 상단 개방부를 복개하는 외통덮개와, 상기 외통덮개의 상부에 씌워지며 외통덮개와의 사이에 발전실을 형성하는 커버를 가지는 외통과; 유수로에 연결되는 취수관에 연결되고 수조주벽 내주면의 접선방향으로 물을 분사시키는 유입관과; 상기 외통주벽의 하단에서 상기 저류공간에 연결되는 방출관과; 상기 수조의 상단과 방출관의 상부를 연결하는 월류 및 공기유입관과; 상기 외통덮개의 중앙부에 상단이 회전 가능하게 지지되며 하단이 상기 배수구의 직상부에 위치하는 회전축과; 상기 회전축에 결합되는 수차와; 상기 발전실 내에서 상기 외통덮개의 상면에 장착되어 상기 회전축의 회전력에 의하여 회전하면서 발전하는 발전기;를 포함하여 구성되는 소수력 발전모듈을 제공한다.

상기 유입관은 취수관에 연결되는 취수연결부와, 상기 취수연결부에 연결되어 상기 외통주벽과 수조주벽을 관통하는 관통연결부와, 상기 관통연결부의 내측단에 절곡 형성되어 수조주벽 내주면의 접선방향으로 물을 분사시키는 분사부를 포함한다.

상기 유입관은 취수연결부의 직경을 가장 크게 하고, 관통연결부에서 부나부로 가면서 직경이 작아지도록 구성하여 취수관으로부터의 취수량을 충분히 확보할 수 있으며, 취수된 물의 분사유속을 높일 수 있도록 구성된다.

상기 방출관은 상기 유입관보다 큰 내경을 가지도록 형성되어 배수구에서 배수되어 저류공간에 저류되었던 물을 방출하는 과정에서 하부에 배수층이 형성되고, 상부에 공기층이 형성되도록 구성되고, 상기 월류 및 공기유입관의 하단은 상기 방출관의 공기층에 연결되도록 구성된다.

상기 수차는 상기 수조 내에 형성되는 와류영역의 1/2 ~ 2/3 높이에 상단이 위치하도록 설치된다.

상기 수차는 상기 회전축에 고정되는 제1 수차보스와, 상기 제1 수차보스의 외부면에 구비되어 방사상으로 연장되는 복수개의 제1 수차날개를 포함하는 복수개의 제1 수차를 포함한다.

상기 제1 수차날개는 높이가 낮은 연결부와, 높이가 높은 수압받이판으로 구성된다.

상기 제1 수차보스의 하단과 상기 제1 수차날개의 연결부의 하단에 보강원판이 일체로 형성된다.

상기 회전축에 고정되는 제2 수차보스와, 상기 제2 수차보스의 외주부에 일체로 형성되어 방사상으로 연장되는 복수개의 제2 수차날개를 가지는 제2 수차를 더 포함한다.

상기 제2 수차보스와 제2 수차날개의 상단과 하단에는 원판이 결합된다.

또한 본 발명은 복수개의 소수력 발전모듈을 고도 차이를 두고 배치하고, 최상류측 소수력 발전모듈의 유입관을 취수관에 연결하며, 상류측 소수력 발전모듈의 방출관을 하류측 소수력 발전모듈의 유입관에 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 복수개의 소수력 발전모듈을 고도 차이에 따라 배치하고, 상류측 소수력 발전모듈의 배수관이 하류측 소수력 발전모듈의 유입관에 연결된 복수개의 소수력 발전모듈 군을 포함하며, 각 소수력 발전모듈 군의 최상류측 소수력 발전모듈의 유입관을 취수관에 병렬로 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 복수개의 소수력 발전모듈을 집합적으로 배치하고, 각 소수력 발전모듈의 유입관을 취수관에 병렬로 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 복수개의 소수력 발전모듈로 이루어진 복수개의 소수력 발전모듈 군을 집합적으로 배치하고, 유수로에 병렬로 연결된 복수개의 취수관에 각 소수력 발전모듈 군을 각 소수력 발전모듈의 유입관을 병렬로 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템을 제공한다.

상기 소수력 발전모듈에서 발전된 전류를 저장에 적합한 직류로 변환하여 배터리에 저장함과 아울러 저장된 직류를 직류 또는 교류로 변환시키는 에너지 저장 시스템과, 상기 에너지 저장 시스템에 저장된 직류를 부하 시스템의 요구조건에 따라 직류 또는 교류로 변환하여 상기 부하 시스템에 공급하는 전력 조정 서브시스템을 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 모듈화된 소수력 발전 시스템에 의하면 유수로에서 취수된 물을 상부로 유입시키고, 하단의 배수구에서 배수하는 과정에서 형성되는 와류의 회전력을 이용하여 수차를 회전시키고, 수차의 회전력을 이용하여 발전기를 회전시켜 발전함으로써 유수로의 낙차가 낮은 지역에서도 효율적인 발전이 가능하게 된다.

또한 본 발명의 모듈화된 소수력 발전 시스템에 의하면 소수력 발전모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하여 물을 효율적으로 이용할 수 있으며, 취수량이 적은 지역에서도 효과적인 발전이 가능하게 된다.

또한 본 발명의 모듈화된 소수력 발전 시스템에 의하면 전력수용가들의 분포에 따라 적합한 설치가 가능하게 된다.

또한 본 발명의 모듈화된 소수력 발전 시스템에 의하면 유입된 물이 와류를 일으키면서 배수되는 과정에서 용존산소량이 증가하게 되어 수질을 개선할 수 있게 된다.

도 1 은 본 발명에 의한 소수력 발전모듈의 종단면도,
도 2는 수차의 분해 사시도,
도 3은 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제1 실시예를 보인 개념도,
도 4는 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제2 실시예를 보인 개념도,
도 5는 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제3 실시예를 보인 개념도,
도 6은 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제4 실시예를 보인 개념도이다.

이하, 본 발명에 의한 소수력 발전장치를 첨부도면에 예시한 바람직한 실시예에 따라서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 소수력 발전모듈의 바람직한 제1 실시예를 보인 것이다.

상기 소수력 발전모듈(100)은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 상하단이 개방되고 상단 직경이 크고 하단으로 갈수록 점차 직경이 작아지는 수조주벽(111)과, 상기 수조주벽(111)의 하단에 결합되며 중앙에 배수구(113)가 형성된 수조바닥(112)을 가지는 수조(110)와; 상기 수조(110)의 상단 외경에 대응하는 내경을 가지는 원통형으로 형성되는 외통주벽(121)과, 상기 외통주벽(121)의 하단에 결합되며 상기 수조바닥(112)과의 사이에 저류공간(123)을 형성하는 외통바닥(122)과, 상기 외통주벽(121)의 상단 개방부를 복개하는 외통덮개(124)와, 상기 외통덮개(124)의 상부에 씌워지며 외통덮개(124)와의 사이에 발전실(126)을 형성하는 커버(125)를 가지는 외통(120)과; 유수로에 연결되는 취수관(200)에 연결되고 수조주벽(111) 내주면의 접선방향으로 물을 분사시키는 유입관(130)과; 상기 외통주벽(121)의 하단에서 상기 저류공간(123)에 연결되는 방출관(140)과; 상기 수조(110)의 상단과 방출관(140)의 상부를 연결하는 월류 및 공기유입관(150)과; 상기 외통덮개(124)의 중앙부에 상단이 회전 가능하게 지지되며 하단이 상기 배수구(113)의 직상부에 위치하는 회전축(160)과; 상기 회전축(160)에 결합되는 수차(170)와; 상기 발전실(126) 내에서 상기 외통덮개(124)의 상면에 장착되어 상기 회전축(160)의 회전력에 의하여 회전하면서 발전하는 발전기(180);를 포함하여 구성된다.

상기 유수로는 하천 상류나 계곡 등을 물이 흐르는 수로를 모두 일컫는 것이다.

상기 수조(110)와 외통(120)은 철판으로 구성될 수 있으며, 프레스 가공과 용접 등에 의하여 제조할 수 있다.

상기 외통덮개(124)와 커버(125)는 외통(120)의 상단에 볼트와 너트 등에 의하여 탈부착 가능하게 결합될 수 있다.

상기 외통(120)의 하단부 외주부에는 소수력 발전모듈(100)을 지면에 설치하기 위한 복수개의 지지각(127)이 구비된다.

상기 유입관(130)과 방출관(140) 및 월류 및 공기유입관(150)은 금속 또는 합성수지 파이프로 구성될 수 있으며, 통상적인 배관 방법에 따라 파이프를 엘보 조인트(elbow joint), 티 조인트(T-joint) 등에 의하여 연결하여 구성할 수 있는 것이므로 이에 대한 구체적인 도시 및 설명은 생략한다.

상기 외통(120), 유입관(130)과 방출관(140) 및 월류 및 공기유입관(150)은 동절기 결빙 및 동파를 방지하기 위하여 보온재를 씌워서 보호할 수 있다.

상기 유입관(130)은 취수관(200)에 연결되는 취수연결부(131)와, 상기 취수연결부(131)에 연결되어 상기 외통주벽(121)과 수조주벽(111)을 관통하는 관통연결부(132)와, 상기 관통연결부(132)의 내측단에 절곡 형성되어 수조주벽(111) 내주면의 접선방향으로 물을 분사시키는 분사부(133)를 포함한다.

상기 유입관(130)은 취수연결부(131)의 직경을 가장 크게 하고, 관통연결부(132)에서 분사부(133)로 가면서 직경이 작아지도록 구성하여 취수관(200)으로부터의 취수량을 충분히 확보할 수 있으며, 취수된 물의 분사유속을 높일 수 있다.

상기 유입관(130)의 분사부(133)에서 분사된 물은 수조(110)의 상단부에서 회전영역을 형성하면서 회전하면서 수조(110)에 채워지게 된다.

수조(110)에 채워진 물은 배수구(113)를 통해 배수되는데 이때 코리올리 효과에 의한 와류가 형성된다.

여기서 지구의 북반구에서는 분사부(133)에서 분사되는 물이 반시계방향으로 회전하도록 하고, 남반구에서는 분사부(133)에서 분사되는 물이 시계방향으로 회전하도록 하는 것이 바람직하다.

또한 수조바닥(112)과 외통바닥(122) 사이에는 저류공간(123)이 형성되어 있으므로 배수구(112)를 통한 배수가 원활하게 이루어지게 되어 활발한 와류가 형성된다.

상기 방출관(140)의 내경은 상기 취수연결부(131)의 최대 내경보다 크게 형성하여 유입되는 물이 원활하게 배수 및 방출될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한 상기 방출관(140)은 유입관(130)의 최대 내경보다 큰 내경으로 형성되어 있으므로 방출되는 물이 방출관(140)을 완전히 채운 상태로 되지 않고, 하부에 배수층이 형성되고 상부에 공기층이 형성되는 상태로 된다.

상기 월류 및 공기유입관(150)은 상단이 상기 외통(120)과 수조(110)를 관통하여 상기 수조(110)의 상단부에 연결되고, 하단이 상기 방출관(140)을 관통하여 방출관(140) 내의 공기층에 연결된다.

따라서 소조(110) 내의 물이 정상수위보다 상승하여 월류 및 공기유입관(150)의 상단에 이르게 되면 월류하여 방출관(140)으로 방출됨과 아울러 방출관(140) 내의 공기가 수조(110)의 내부로 유입되어 배수구(113)에서의 배수가 원활하게 이루어지게 되어 코리올리 효과에 의한 와류가 활발하게 형성된다.

상기 회전축(160)은 상기 외통덮개(123)의 중앙부를 관통하여 발전실(126)의 상부로 연장되며, 외통덮개(123)의 상면과 하면에 설치되는 베어링(161)에 의하여 회전이 원활하게 이루어질 수 있도록 설치된다.

상기 수차(170)는 상기 회전축(160)의 하단부에서 상기 회전축(160)의 중단부에 걸쳐서 복수개가 적층되는 식으로 설치되는 제1 수차(171)를 포함한다.

여기서 상기 수조(110) 내의 정상수위는 유입관(130)의 내경과 배수구(113)의 내경 및 방출관(140)의 내경의 관계에서 유입관(130)의 높이에 위치하게 되고, 상층에는 유입관(130)에서 수조(110)의 내주면에 접선방향으로 유입되는 물이 회전하는 회전영역이 형성되고, 그 하부에는 코리올리 효과에 의한 와류영역이 형성된다.

상기 와류영역에서는 상부에서의 회전력보다 하부에서의 회전력이 더 크게 되므로 상기 제1 수차(171)의 상단 높이는 와류영역의 1/2 ~ 2/3 높이에 위치하도록 함으로써 와류의 회전력을 최대한으로 이용할 수 있게 된다.

또한 와류영역의 회전력은 회전영역의 회전력보다 월등히 크게 나타나므로 회전영역의 회전력은 수차(170)를 회전시키는 데에 직접적으로 영향을 미치지는 않지만, 와류영역의 회전력에 대하여 저항으로 작용하는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 제1 수차(171)는 상기 회전축(160)에 고정되는 제1 수차보스(172)와, 상기 제1 수차보스(172)의 외부면에 구비되어 방사상으로 연장되는 복수개의 제1 수차날개(173)를 포함한다.

상기 회전축(160)과 제1 수차보스(172)는 통상적인 축결합구조에서와 같이 회전축(160)의 횡단면과 제1 수차보스(172)의 축공을 반달형으로 형성하여 서로 헛도는 일이 없도록 하고, 스크루(도시생략)에 의하여 고정하는 방식으로 결합될 수 있다.

상기 제1 수차날개(173)는 높이가 낮은 연결부(173a)와, 높이가 높은 수압받이판(173b)으로 구성될 수 있다.

이러한 구성에 의하여 수조(110) 내에서 발생하는 와류의 회전력이 중심부보다 외주측에서 더 크게 나타나므로 회전력이 작은 중심부측에 형성되는 연결부(173a)가 저항요인으로 작용하지 않게 함과 아울러 회전력이 큰 외부부에 형성되는 수압받이판(173b)이 보다 강한 수압을 받게 하여 와류의 회전력을 보다 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

또한 상기 제1 수차보스(172)의 하단과 상기 제1 수차날개(173)의 연결부(173a)의 하단에 보강원판(174)을 일체로 형성하여 상기 제1 수차날개(173)의 연결부(173a)를 보강할 수 있다.

또한 상기 제1 수차(171)는 회전축(160)의 하단에 고정되는 제2 수차(175)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 수차(175)는 상기 회전축(160)에 고정되는 제2 수차보스(176)와, 상기 제2 수차보스(176)의 외주부에 일체로 형성되어 방사상으로 연장되는 복수개의 제2 수차날개(177)를 포함한다.

또한 상기 제2 수차보스(176)와 제2 수차날개(177)의 상단과 하단에는 원판(178)이 결합되어 와류의 회전력이 원판(178) 사이에서 제2 수차날개(177)에 작용하도록 함으로써 수차효율을 높일 수 있게 하는 것이 바람직하다.

또한 제1 수차(175)는 코리올리 효과에 의한 와류의 회전력이 가장 크게 나타나는 배수구(113)의 직상방에 위치하기 때문에 와류의 회전력을 최대한으로 이용할 수 있게 된다.

상기 발전기(180)는 통상적인 수력발전에 사용되는 발전기를 사용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 발전기(180)에서 발전된 전류는 커버(124)를 관통하는 전선을 통하여 외부로 인출할 수 있다.

또한 상기 발전기(180)는 교류 발전기를 사용할 수도 있고 직류 발전기를 사용할 수도 있다.

상기 회전축(160)의 회전력을 발전기(180)에 전달하기 위하여 전동기구(190)를 더 포함한다.

상기 전동기구(190)는 상기 회전축(160)의 상단에 결합되는 구동기어(191)와, 상기 발전기(180)의 축(181)에 결합되는 종동기어(192)를 포함한다.

이때 발전기(180)를 회전축(160)의 회전수보다 큰 회전수로 회전시키기 위하여 구동기어(191)의 직경을 크게 하고 종동기어(192)의 직경을 작게 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 소수력 발전모듈(100)에서 수조(110)에 유입된 물이 배수구(113)를 통해 배수되면서 와류를 일으키는 과정에서 기포가 발생하게 되고, 이에 따라 배수되는 물의 용존산소량이 증가하게 되어 수질을 개선할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 3은 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제1 실시예를 보인 것이다.

본 실시예에 따른 모듈화된 소수력 발전 시스템은 복수개의 소수력 발전모듈(100)을 고도 차이를 두고 배치하고, 최상류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 취수관(200)에 연결하며, 상류측 소수력 발전모듈(100)의 방출관(140)을 하류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)에 연결한 것이다.

본 실시예에 따른 모듈화된 소수력 발전 시스템은 상류측 소수력 발전모듈(100)에서 사용한 물을 하류측 소수력 발전모듈(100)에서 재사용하므로 취수량이 적은 지역에서도 효율적으로 발전이 가능하게 된다.

또한 본 실시예에 따른 모듈화된 소수력 발전 시스템은 상기 발전기(180)에서 발전된 전류를 저장에 적합한 직류로 변환하여 배터리에 저장함과 아울러 저장된 직류를 직류 또는 교류로 변환시키는 에너지 저장 시스템(ESS)과, 상기 에너지 저장 시스템(ESS)에 저장된 직류를 부하 시스템의 요구조건에 따라 직류 또는 교류로 변환하여 상기 부하 시스템에 공급하는 전력 조정 서브시스템(PCS)을 더 포함한다.

상기 에너지 저장 시스템(ESS)과 전력 조정 서브시스템(PCS)은 통상적인 시스템이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 에너지 저장 시스템(ESS)과 전력 조정 서브시스템(PCS)은 전력을 관리하는 관리자가 관리할 수 있도록 모듈화된 소수력 발전 시스템과 수용가들 사이에 설치하고, 배전선로를 통해 수용가에 배전할 수 있다.

또한 에너지 저장 시스템(ESS)에 구비된 배터리는 쉽게 탈착할 수 있도록 구성하여 배전선로를 통해 전력을 공급받지 못하는 지역으로 전력 조정 서브시스템(PCS)과 함께 운반하여 전력을 공급할 수도 있다.

본 실시예는 전력수용가들이 유수로를 따라 좁은 지역에 분포되고 비교적 고도 차이를 두고 멀리 떨어져 있는 경우에 적합하며, 에너지 저장 시스템(ESS)과 전력 조정 서브시스템(PCS)은 하나의 소수력 발전모듈(100)에 하나씩 연결하거나 복수개의 소수력 발전모듈(100)에 병렬로 연결하여 전력수용가에 전력을 공급할 수 있다.

또한 최하류측 소수력 발전모듈(100)의 방출관(140)에서 방출되는 물은 유수로의 하류측으로 방류하거나 주변의 저수지 등에 방류할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제2 실시예를 보인 것이다.

본 실시예에 따른 모듈화된 소수력 발전 시스템은 복수개의 소수력 발전모듈(100)을 고도 차이에 따라 배치하고, 상류측 소수력 발전모듈(100)의 배수관(140)이 하류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)에 연결된 복수개의 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)을 포함하며, 각 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)의 최상류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 취수관(200)에 병렬로 연결한 것이다.

도면에서는 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)을 2개만 도시하였다.

본 실시예에 따른 모듈화된 소수력 발전 시스템은 각 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)의 상류측 소수력 발전모듈(100)에서 사용한 물을 하류측 소수력 발전모듈(100)에서 재사용하므로 취수량이 적은 지역에서도 효율적으로 발전이 가능하게 된다.

본 실시예는 전력수용가들이 유수로를 따라 제1 실시예의 경우에 비해 넓은 지역에 분포되고 비교적 고도 차이를 두고 멀리 떨어져 있는 경우에 적합하며, 에너지 저장 시스템(ESS)과 전력 조정 서브시스템(PCS)은 하나의 소수력 발전모듈(100)에 하나씩 연결하거나 복수개의 소수력 발전모듈(100)에 병렬로 연결하여 전력수용가에 전력을 공급할 수 있다.

이때 발전기(180)가 교류발전기인 경우에는 에너지 저장 시스템(ESS)이 교류를 직류로 변환하여 배터리에 저장하며, 발전기(180)가 직류발전기인 경우에는 에너지 저장 시스템(ESS)이 저장에 적합한 직류로 변환하여 배터리에 저장할 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제3 실시예를 보인 것이다.

본 실시예에 따른 모듈화된 소수력 발전 시스템은 복수개의 소수력 발전모듈(100)을 집합적으로 배치하고, 각 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 취수관(200)에 병렬로 연결한 것이다.

본 실시예에서는 취수관(200)의 직경을 상류측을 크게 하고, 하류측으로 가면서 점차 작아지게 함으로써 취수관(200)에 병렬로 연결된 복수개의 소수력 발전모듈(100)에 유입되는 수량을 균등하게 할 수 있다.

본 실시예는 전력수용가들이 일정 구역에 운집해 있는 경우에 적합하며, 에너지 저장 시스템(ESS)과 전력 조정 서브시스템(PCS)은 하나의 소수력 발전모듈(100)에 하나씩 연결하거나 복수개의 소수력 발전모듈(100)에 병렬로 연결하여 전력수용가에 전력을 공급할 수 있다.

또한 각 소수력 발전모듈(100)의 방출관(140)에서 방출되는 물은 개별적으로 또는 합류시켜 유수로의 하류측으로 방류하거나 주변의 저수지 등에 방류할 수 있다.

도 6은 본 발명에 의한 모듈화된 소수력 발전 시스템의 바람직한 제4 실시예를 보인 것이다.

본 실시예에 따른 모듈화된 소수력 발전 시스템은 복수개의 소수력 발전모듈(100)로 이루어진 복수개의 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)을 집합적으로 배치하고, 유수로에 병렬로 연결된 복수개의 취수관(200A, 200B...)에 각 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)의 각 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 병렬로 연결한 것이다.

도면에서는 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)과 취수관(200A, 200B...)을 2개씩만 도시하였다.

본 실시예에서는 취수관(200A, 200B...)의 직경을 상류측을 크게 하고, 하류측으로 가면서 점차 작아지게 함으로써 각 취수관(200A, 200B...)에 병렬로 연결된 복수개의 소수력 발전모듈(100)에 유입되는 수량을 균등하게 할 수 있다.

본 실시예는 전력수용가들이 제3 실시예의 경우보다 비교적 넓은 구역에 운집해 있는 경우에 적합하며, 에너지 저장 시스템(ESS)과 전력 조정 서브시스템(PCS)은 하나의 소수력 발전모듈(100)에 하나씩 연결하거나 복수개의 소수력 발전모듈(100)에 병렬로 연결하여 전력수용가에 전력을 공급할 수 있다.

이상에서 설명한 실시예들은 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로 상술한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이며, 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 소수력 발전모듈 110 : 수조
120 : 외통 130 : 유입관
140 : 방출관 150 : 월류 및 공기유입관
160 : 회전축 170 : 수차
171 : 제1 수차 175 : 제2 수차
180 : 발전기 190 : 전동기구
ESS : 에너지 저장 시스템 PCS : 전력 조정 서브시스템

Claims

상하단이 개방되고 상단 직경이 크고 하단으로 갈수록 점차 직경이 작아지는 수조주벽(111)과, 상기 수조주벽(111)의 하단에 결합되며 중앙에 배수구(113)가 형성된 수조바닥(112)을 가지는 수조(110)와;
상기 수조(110)의 상단 외경에 대응하는 내경을 가지는 원통형으로 형성되는 외통주벽(121)과, 상기 외통주벽(121)의 하단에 결합되며 상기 수조바닥(112)과의 사이에 저류공간(123)을 형성하는 외통바닥(122)과, 상기 외통주벽(121)의 상단 개방부를 복개하는 외통덮개(124)와, 상기 외통덮개(124)의 상부에 씌워지며 외통덮개(124)와의 사이에 발전실(126)을 형성하는 커버(125)를 가지는 외통(120)과;
유수로에 연결되는 취수관(200)에 연결되고 수조주벽(111) 내주면의 접선방향으로 물을 분사시키는 유입관(130)과;
상기 외통주벽(121)의 하단에서 상기 저류공간(123)에 연결되며, 상기 유입관(130)보다 큰 내경을 가지도록 형성하여 상기 배수구(113)에서 배수되어 상기 저류공간(123)에 저류되었던 물이 방출되는 과정에서 하부에 배수층이 형성되고 상부에 공기층이 형성되도록 구성되는 방출관(140)과;
상기 수조(110)의 상단과 방출관(140)의 상부를 연결하며, 하단은 상기 방출관(140)의 공기층에 연결되도록 하는 월류 및 공기유입관(150)과;
상기 외통덮개(124)의 중앙부에 상단이 회전 가능하게 지지되며 하단이 상기 배수구(113)의 직상부에 위치하는 회전축(160)과;
상기 회전축(160)에 결합되는 수차(170)와; 상기 발전실(126) 내에서 상기 외통덮개(124)의 상면에 장착되어 상기 회전축(160)의 회전력에 의하여 회전하면서 발전하는 발전기(180);를 포함하여 구성되는 소수력 발전모듈.
제1항에 있어서,
상기 유입관(130)은 취수관(200)에 연결되는 취수연결부(131)와, 상기 취수연결부(131)에 연결되어 상기 외통주벽(121)과 수조주벽(111)을 관통하는 관통연결부(132)와, 상기 관통연결부(132)의 내측단에 절곡 형성되어 수조주벽(111) 내주면의 접선방향으로 물을 분사시키는 분사부(133)를 포함하는 소수력 발전모듈.
제2항에 있어서,
상기 유입관(130)은 취수연결부(131)의 직경을 가장 크게 하고, 관통연결부(132)에서 분사부(133)로 가면서 직경이 작아지도록 구성하여 취수관(200)으로부터의 취수량을 충분히 확보할 수 있으며, 취수된 물의 분사유속을 높일 수 있도록 구성되는 소수력 발전모듈.
삭제
제1항에 있어서,
상기 수차(170)는
상기 수조(110) 내에 형성되는 와류영역의 1/2 ~ 2/3 높이에 상단이 위치하도록 설치되는 소수력 발전모듈.
제1항에 있어서,
상기 수차(170)는
상기 회전축(160)에 고정되는 제1 수차보스(172)와, 상기 제1 수차보스(172)의 외부면에 구비되어 방사상으로 연장되는 복수개의 제1 수차날개(173)를 포함하는 복수개의 제1 수차(171)를 포함하는 소수력 발전모듈.
제6항에 있어서,
상기 제1 수차날개(173)는 높이가 낮은 연결부(173a)와, 높이가 높은 수압받이판(173b)으로 구성되는 소수력 발전모듈.
제7항에 있어서,
상기 제1 수차보스(172)의 하단과 상기 제1 수차날개(173)의 연결부(173a)의 하단에 보강원판(174)이 일체로 형성되는 소수력 발전모듈.
제6항에 있어서,
상기 회전축(160)에 고정되는 제2 수차보스(176)와, 상기 제2 수차보스(176)의 외주부에 일체로 형성되어 방사상으로 연장되는 복수개의 제2 수차날개(177)를 가지는 제2 수차(175)를 더 포함하여 구성되는 소수력 발전모듈.
제9항에 있어서,
상기 제2 수차보스(176)와 제2 수차날개(177)의 상단과 하단에는 원판(178)이 결합되는 소수력 발전모듈.
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제10항 중 어느 하나에 따른 복수개의 소수력 발전모듈(100)을 고도 차이를 두고 배치하고,
최상류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 취수관(200)에 연결하며,
상류측 소수력 발전모듈(100)의 방출관(140)을 하류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)에 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템.
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복수개의 소수력 발전모듈(100)을 고도 차이에 따라 배치하고,
상류측 소수력 발전모듈(100)의 배수관(140)이 하류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)에 연결된 복수개의 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)을 포함하며, 각 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)의 최상류측 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 취수관(200)에 병렬로 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템.
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복수개의 소수력 발전모듈(100)을 집합적으로 배치하고,
각 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 취수관(200)에 병렬로 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복수개의 소수력 발전모듈(100)로 이루어진 복수개의 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)을 집합적으로 배치하고,
유수로에 병렬로 연결된 복수개의 취수관(200A, 200B...)에 각 소수력 발전모듈 군(100A, 100B...)을 각 소수력 발전모듈(100)의 유입관(130)을 병렬로 연결하여서 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템.
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 소수력 발전모듈(100)에서 발전된 전류를 직류로 변환하여 배터리에 저장함과 아울러 저장된 직류를 직류 또는 교류로 변환시키는 에너지 저장 시스템(ESS)과, 상기 에너지 저장 시스템(ESS)에 저장된 직류를 부하 시스템의 요구조건에 따라 직류 또는 교류로 변환하여 상기 부하 시스템에 공급하는 전력 조정 서브시스템(PCS)을 더 포함하여 구성되는 모듈화된 소수력 발전 시스템.