KR102004082B1 - 부력체와 수중터빈을 구비한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강과 같이 물의 흐름이 있는 곳에 부력체를 띄워 놓고 발전을 하되, 수중 터빈을 물 속에 완전히 잠기게 한 상태에서 발전을 하기 때문에 수면이 얼어붙는 겨울철에도 수력발전이 가능하고 수면에 나뭇가지와 같은 부유물이 있는 상황에서도 발전할 수 있는 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치에 관한 것이다.

Description

부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치{Hydroelectric power plant with buoyancy and underwater turbine}

본 발명은 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강과 같이 물의 흐름이 있는 곳에 부력체를 띄워 놓고 발전을 하되, 수중 터빈을 물 속에 완전히 잠기게 한 상태에서 발전을 하기 때문에 수면이 얼어붙는 겨울철에도 수력발전이 가능하고 수면에 나뭇가지와 같은 부유물이 있는 상황에서도 발전할 수 있는 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 동력 발생 장치는 원자력 또는 화석 연료의 연소시 발생하는 열에 의하여 증기를 생성하고 그 증기압으로 동력을 발생하거나, 내연 기관 또는 외연 기관과 같은 동력 발생 장치는 연료의 연소시 발생하는 폭발력으로 동력을 발생시킨다.

그러나, 이와 같은 화석 연료를 이용한 동력 발생 장치는 환경적인 문제로 인하여 선진국 등에서는 많은 규제를 받고 있고 있다.

한편, 수력 터빈이나 수차 등은 물의 낙차를 이용한 동력 발생 장치로서, 친환경적인 장치로 간주되고 있으나, 강의 댐과 같이 그 장치를 설치하는데 한정적이며, 따라서 광범위하게 이용되기 어려운 기술이다.

이와 함께, 태양광, 태양열, 풍력 또는 조력을 에너지 원으로 이용하는 동력 발생 장치는 친환경 에너지를 이용한다는 장점이 있으나, 경제성 및 실용화될 수 있는 기술력을 갖고 있지 않다는 이유로 화석 연료를 이용한 동력 발생 장치를 대체하지 못하고 있다.

이를 해결하기 위해 대한민국 공개특허 제10-2001-0096812호에는 물통; 각각 상기 물통의 상부와 하부에 설치된 상부도로레 및 제 1 하부도로레; 상기 하부도로레의 축과 연결되어 상기 물통의 외부에 설치된 제 2 하부도로레; 상기 상부도로레와 상기 제 1 하부도로레에 연결되어 설치된 밸트; 상기 밸트에 설치된 한면은 개방되어 있고 다른 면은 폐쇄되어 있는 공기통들; 상기 공기통들의 폐쇄된 면이 아래로 향하는 위치에 있는 공기통들의 아래방향 바로 밑에 존재하는 물통의 밑면아래에설치된 피스톤; 상기 피스톤의 바로 아래에 설치된 구동도로레; 상기 제 2 하부도로레와 상기 구동도로레를 연결시키는 밸트; 상기 피스톤의 밑면과 상기 구동도로레의 원주의 한끝지점에 함께 연결되어 있는 피스톤 봉; 상기 피스톤의 상부면과 물통의 밑면을 통하도록 설치된 제 1 체크밸브; 상기 피스톤의 하부면에 설치된 제 2 체크밸브를 포함하도록 구성되어 있고, 상기 물통의 상부도로레와 제 1 하부도로레사이는 연장되어 상기 물통과 분리된 공간인 것을 특징으로 하는 부력에 의한 엔진장치가 개시되어 있다.

다만 상기 공개특허는 공기통들이 고정된 형상으로 이루어지기 때문에 하강시 많은 저항을 받게 되어 발전 효율이 낮다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제10-1623684호에는 도 6에 도시된 바와 같이 '수중에 띄워진 상태로 고정되며 좌우로 나란히 배치되는 적어도 한 쌍의 제1,2부력체와; 상기 제1,2부력체의 전방 및 후방 영역에 각각 횡방향으로 배치되는 전방 및 후방 회전축과; 상기 전방 및 후방 회전축 각각의 양단에 설치되는 전방 및 후방 체인기어와; 상기 전방 및 후방 체인기어에 전후 방향으로 연결되는 제1,2체인과; 상기 제1,2체인 각각의 둘레를 따라 설치되는 다수의 제1,2회전바와, 상기 제1,2회전바 사이에 설치되는 다수의 물받이 시트로 이루어지는 회전부와; 상기 전방 회전축 또는 후방 회전축에 연결된 발전기;를 포함하며, 종방향으로 나란히 배치된 상기 다수의 물받이 시트가 상기 전방 및 후방 회전축을 기준으로 하측에서는 물에 침수되어 물의 흐름에 의해 후방으로 밀려 가면서 상기 전방 및 후방 회전축을 회전시켜 발전이 이루어지되, 상기 제1,2회전바는 상기 제1,2체인에 회전가능하게 힌지결합되며, 일측에는 호 형상의 가이드홈이 형성되고, 일단은 상기 제1,2회전바의 일측에 고정되고, 타단은 상기 제1,2회전바의 전방 영역에 있는 상기 제1,2체인에 고정되어 상기 제1,2회전바가 회전하는 범위를 제한하는 와이어와; 일단은 상기 가이드홈에 결합하고, 타단은 상기 제1,2회전바의 후방 영역에 있는 상기 제1,2체인에 고정되어 상기 제1,2회전바를 지지하는 지지바;를 더 포함하며, 상기 제1,2회전바가 물에 침수된 상태에서는 물의 흐름과 수직한 방향으로 펴지고, 상기 후방 체인기어를 통과하여 물 밖으로 나온 상태에서는 접히도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수력발전장치'가 개시되어 있다.

다만, 상기 등록특허의 경우 상기 회전부가 수면에 배치되기 때문에 겨율철과 같이 수면이 얼어붙는 경우에는 수력발전을 할 수 없는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1623684호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 강과 같이 물의 흐름이 있는 곳에 부력체를 띄워 놓고 발전을 하되, 수중 터빈을 물 속에 완전히 잠기게 한 상태에서 발전을 하기 때문에 수면이 얼어붙는 겨울철에도 수력발전이 가능하고 수면에 나뭇가지와 같은 부유물이 있는 상황에서도 발전할 수 있는 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치는 부력체와; 부력체의 아래에 설치되어 수중에서 물의 흐름을 좌우로 분할하는 가이드 몸체와; 상기 부력체 상에 설치되는 발전기와; 상기 가이드 몸체의 좌우로 대칭되도록 설치되며 수중에 잠긴 상태에서 물의 흐름에 의해 회전하는 한 쌍의 수중 터빈과; 상기 발전기의 발전축과, 수중 터빈의 터빈축을 서로 연결하는 유니버셜 조인트를 포함하는 동력전달축과; 일단이 상기 가이드 몸체 또는 부력체에 고정되는 고정바와, 상기 고정바의 타단에 마련되며 상기 동력전달축 또는 터빈축에 체결되는 베어링부로 이루어지는 지지체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치의 수중 터빈은 상기 터빈축과, 상기 터빈축 상에 설치되는 유도 회전 날개와, 상기 유도 회전 날개보다 후방에 배치되고 더 큰 지름을 가지는 회전 날개와, 상기 회전 날개의 끝단에 고정되어 상기 회전 날개와 함께 회전하는 회전통으로 이루어지며, 상기 회전통은 물이 유입되는 전단은 넓고 후단으로 갈수록 좁아지는 원뿔대 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치의 부력체에는 수중 터빈이 물 속에 잠기는 침수 깊이를 조절할 수 있도록 피스톤 로드를 포함하는 승강실린더;가 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치에 의하면, 강과 같이 물의 흐름이 있는 곳에 부력체를 띄워 놓고 발전을 하되, 수중 터빈을 물 속에 완전히 잠기게 한 상태에서 발전을 하기 때문에 수면이 얼어붙는 겨울철에도 수력발전이 가능하고 수면에 나뭇가지와 같은 부유물이 있는 상황에서도 발전할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치의 일실시예를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1과 대응되는 것으로서, 승강실린더가 설치된 모습을 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 터빈축이 발전기를 중심으로 회전 이동하는 모습을 도시하는 저면도이다.
도 5는 본 발명의 발전장치를 2개 병설한 모습을 도시하는 도면이다.
도 6은 종래 수력발전장치를 도시하는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치(100)는 강이나 바다와 같이 물의 흐름이 있는 곳에 부력체를 띄워 놓고 발전을 하되, 수중 터빈을 물 속에 완전히 잠기게 한 상태에서 발전을 하는 것이다.

특히 강에서 발전을 하는 경우, 겨울철에는 수면이 얼어붙게 되어 수력발전에 제약이 많았으나, 본 발명에서는 수중 터빈이 얼음이 얼지 않는 수중에 배치되기 때문에 계절에 관계없이 수력발전이 가능한 특징이 있다.

본 발명에 따른 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치(100)는 부력체(110)와, 부력체(110)의 아래에 설치되어 수중에서 물의 흐름을 좌우로 분할하는 가이드 몸체(120)와, 상기 부력체(110) 상에 설치되는 발전기(130)와, 상기 가이드 몸체(120)의 좌우로 대칭되도록 설치되며 수중에 잠긴 상태에서 물의 흐름에 의해 회전하는 한 쌍의 수중 터빈(140)과, 상기 발전기(130)의 발전축(131)과, 수중 터빈(140)의 터빈축(141)을 서로 연결하는 유니버셜 조인트(151,152)를 포함하는 동력전달축(150)과, 수중 터빈(140)의 터빈축(141) 또는 상기 동력전달축(150)을 회전가능한 상태로 고정하는 지지체(160)를 포함할 수 있다.

상기 부력체(110)는 부력을 제공하는 것으로서, 강 위에 띄워진 상태에서 고정되는데, 강 바닥에 설치된 앙카에 고정 와이어(123)를 연결하여 고정할 수도 있고 닻을 내려 고정할 수도 있다.

상기 부력체(110)의 좌우에는 상기 유니버셜 조인트(151,152)가 수중으로 삽입될 수 있도록 삽입 홈부(113)가 마련된다.

상기 가이드 몸체(120)는 수중에 침수되어 물의 흐름을 좌우로 분할하는 역할을 하는 것으로서, 전단 및 후단은 폭이 좁고 중앙으로 갈수록 넓어지는 유선형 구조로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

상기 가이드 몸체(120)의 내부에는 평형을 유지할 수 있도록 평형수가 채워지거나, 또는 하부의 전방 및 후방에 각각 무게 추(121)를 메달아 놓을 수도 있다.

상기 수중 터빈(140)은 가이드 몸체의 좌우측 중앙에 배치되어 발전하는 것으로서, 터빈축(141)과, 상기 터빈축(141) 상에 설치되는 유도 회전 날개(143)와, 상기 유도 회전 날개(143)보다 후방에 배치되고 더 큰 지름을 가지는 회전 날개(145)와, 상기 회전 날개(145)의 끝단에 고정되어 상기 회전 날개(145)와 함께 회전하는 회전통(146)으로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

상기 유도 회전 날개(143)는 터빈축(141)의 전방에 배치되며 후방에 배치된 상기 회전 날개(145)로 물의 흐름이 집중적으로 공급될 수 있도록 유도하는 역할을 한다. 유속이 충분한 경우에는 유도 회전 날개를 생략할 수도 있고, 경우에 따라서는 상기 회전 날개의 후방에도 유도 회전 날개를 추가 설치할 수도 있다.

상기 회전 날개(145)는 상기 회전통(146) 내에 수납되어 그 내주면에 용접되는 등의 방법으로 고정되어 회전통(146)과 회전날개(145)는 함께 회전한다.

상기 회전통(146)은 물이 유입되는 전단은 넓고 후단으로 갈수록 좁아지는 원뿔대 형상으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 회전통(146) 내부로 많은 양의 물을 받아들여 발전 효율을 높이기 위함이다.

상기 동력전달축(150)은 부력체(110) 상에 있는 발전기(130)와, 수중에 있는 수중 터빈의 터빈축(141)을 서로 연결하는 역할을 하는 것으로서, 상기 발전축에 연결되는 제1유니버셜 조인트(151)와, 상기 터빈축(141)에 연결되는 제2유니버셜 조인트(152)와, 상기 제1, 2유니버셜 조인트(151,152)를 연결하는 샤프트(153)로 구성된다.

상기 샤프트(153)는 상기 제1유니버셜 조인트(151)에서 연결되는 로드(154)와, 상기 로드(154)를 수용하며 상기 제2유니버셜 조인트(152)에서 연결되는 케이싱(155)으로 이루어진다. 상기 로드는 상기 케이싱(155) 내에 이동가능하게 삽입된다.

이러한 동력전달축(150)은 자동차의 프로펠러 샤프트에서 일반적으로 사용되는 구조이기 때문에 그 자세한 설명은 생략한다.

상기 지지체(160)는 회전 운동을 하는 동력전달축(150) 또는 터빈축(141)을 수중에서 회전가능하게 고정하는 역할을 하는 것으로서, 일단이 상기 가이드 몸체(120) 또는 부력체(110)에 고정되는 고정바(161)와, 상기 고정바의 타단에 마련되며 상기 케이싱(155) 또는 터빈축(141)에 체결되는 베어링부(163)로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

한편, 상기 부력체(110)에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 수중 터빈(140)이 물 속에 잠기는 침수 깊이를 조절할 수 있도록 승강실린더(170)를 설치할 수 있다.

상기 승강실린더(170)는 부력체(110)에 관통하여 설치될 수 있으며, 승강실린더(170)의 하단에 배치되는 피스톤 로드(171)의 하단에는 베어링부(163)가 고정된다. 피스톤 로드(171)가 하강하면 베어링부(163)에 연결된 수중 터빈(140)도 함께 하강하게 된다.

그리고 상기 가이드 몸체(120)에는 유속을 측정하는 유속 센서(125)가 수직 방향으로 다수 개 설치될 수 있으며, 상기 다수개의 유속 센서에서 측정한 유속 중 가장 유속을 가진 수심으로 상기 수중 터빈(140)이 위치하도록 승강실린더(170)를 작동할 수 있다.

본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 터빈축(141)의 방향이 가변하는 구조로 이루어질 수 있다.

이를 위해 상기 고정바(161)는 길이 신장이 가능한 가스 스트럿 구조로 이루어지거나 실린더장치로 이루어질 수 있으며, 상기 발전기(130)는 회전 가능한 회전판(115) 위에 설치될 수 있다.

상기 고정바(161)가 길이 신장이 가능한 구조로 이루어지고 수중 터빈과 터빈축은 유속이 센 방향으로 움직일 수 있게 된다.

그리고 발전기도 회전 가능한 구조로 이루어지기 때문에 발전축, 동력전달축, 터빈축이 일자를 이룬 상태에서 상기 원판을 중심으로 상기 수중 터빈이 유속이 큰 방향으로 회전 이동하면서 발전이 이루어질 수 있으며, 그리고 이러한 과정은 별도의 제어 없이도 유속 내지 수압에 따라 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명의 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치에서는 도 5에 도시된 바와 같이 적어도 2개의 가이드 몸체가 병설됨으로써, 인접하는 가이드 몸체 사이에 배치된 수중 터빈에서는 보다 큰 유속으로 발전할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 발전장치 110 : 부력체
113 : 삽입 홈부 115 : 회전판
120 : 가이드 몸체 121 : 무게 추
123 : 고정 와이어 125 : 유속 센서
130 : 발전기 131 : 발전축
140 : 수중 터빈 141 : 터빈축
143 : 유도 회전 날개 145 : 회전 날개
146 : 회전통 150 : 동력전달축
151 : 제1유니버셜 조인트 152 : 제2유니버셜 조인트
153 : 샤프트 154 : 로드
155 : 케이싱 160 : 지지체
161 : 고정바 163 : 베어링부
170 : 승강실린더 171 : 피스톤 로드

Claims (3)

1. 부력체와;
   부력체의 아래에 설치되어 수중에서 물의 흐름을 좌우로 분할하는 가이드 몸체와;
   상기 부력체 상에 설치되는 발전기와;
   상기 가이드 몸체의 좌우로 대칭되도록 설치되며 수중에 잠긴 상태에서 물의 흐름에 의해 회전하는 한 쌍의 수중 터빈과;
   상기 발전기의 발전축과, 수중 터빈의 터빈축을 서로 연결하는 유니버셜 조인트를 포함하는 동력전달축과;
   일단이 상기 가이드 몸체 또는 부력체에 고정되는 고정바와, 상기 고정바의 타단에 마련되며 상기 동력전달축 또는 터빈축에 체결되는 베어링부로 이루어지는 지지체;를 포함하며,
   상기 수중 터빈은 상기 터빈축과, 상기 터빈축 상에 설치되는 유도 회전 날개와, 상기 유도 회전 날개보다 후방에 배치되고 더 큰 지름을 가지는 회전 날개 와, 상기 회전 날개의 끝단에 고정되어 상기 회전 날개와 함께 회전하는 회전통으로 이루어지며,
   상기 회전통은 물이 유입되는 전단은 넓고 후단으로 갈수록 좁아지는 원뿔대 형상으로 이루어지고,
   상기 부력체에는 수중 터빈이 물 속에 잠기는 침수 깊이를 조절할 수 있도록 피스톤 로드를 포함하는 승강실린더;가 설치되며,
   상기 가이드 몸체에는 유속을 측정하는 유속 센서가 수직 방향으로 다수 개 설치되며, 상기 승강실린더가 작동하여 상기 수중 터빈을 상기 다수 개의 유속 센서에서 측정한 유속 중 가장 빠른 유속을 가진 수심으로 위치시키고,
   상기 고정바는 길이 신장이 가능한 가스 스트럿 구조로 이루어지며, 상기 발전기는 회전 가능한 회전판 위에 설치되어 상기 발전축, 동력전달축, 터빈축이 일자를 이룬 상태에서 상기 회전판을 중심으로 상기 수중 터빈이 유속이 빠른 방향으로 이동하면서 발전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 부력체와 수중 터빈을 구비한 발전장치.
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