KR102121385B1

KR102121385B1 - 수력을 이용한 발전시스템

Info

Publication number: KR102121385B1
Application number: KR1020190055199A
Authority: KR
Inventors: 박정극
Original assignee: 박정극
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-06-10
Also published as: US20220205422A1; WO2020231082A1; CN113811685B; US11629688B2; CN113811685A

Abstract

본 발명은 수력을 이용한 발전시스템에 관한 것으로, 물레방아의 외주면에 소정의 간격으로 형성된 만곡부에 낙하 직전 물을 수용하는 원형부재를 담아 트랙을 따라 자유 낙하시켜 발생되는 원형부재의 중력가속도에 의해 래치가 회동하면서 체인을 1스탭씩 밀어내도록 함과 동시에 트랙을 따라 자유 낙하되고 나면 원형부재로부터 물을 제거하여 가벼워지도록 한 후 다시 물레방아의 만곡부로 공급되도록 함에 따라 발전이 이루어질 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 회전방향을 따라 만곡부(51)가 소정의 간격으로 형성되어 낙수에 의해 회전하는 물레방아(50)와, 상기 물레방아(50)의 만곡부(51)에 담겨져 상승할 때에는 덮개(52b)가 개방되어 속이 빈 상태로 상승하고 상사점에 도달하였을 때에는 내부에 물이 채워지도록 덮개(52b)를 닫아 자유 낙하되는 복수 개의 원형부재(52)와, 상기 원형부재(52)의 덮개(52b)를 자동으로 개폐하는 덮개 개폐수단과, 상기 물레방아(50)에 형성된 만곡부(51)가 하향 경사지는 지점으로부터 하향 경사지게 설치되어 만곡부(51)에 담겨진 원형부재(52)가 자중에 의해 이송되도록 안내하는 트랙(60)과, 상기 트랙(60)의 끝지점에 하향 경사지게 설치되어 회수된 원형부재(52)를 물레방아(50)의 회전 시 순차적으로 만곡부(51)에 공급하는 공급트랙(61)과, 상기 트랙(60) 및 공급트랙(61)을 지지하는 복수 개의 지지부재(62)와, 상기 트랙(60)에 설치되어 물이 채워진 원형부재(52)가 트랙(60)을 따라 순차적으로 하강함에 따라 동력을 발생시켜 발전기(70)에서 전력이 생산되도록 하는 발전기 구동수단으로 구성되어 물레방아(50)의 회전으로 원형부재(52)가 트랙(60) 및 공급트랙(61)을 순환하면서 래치(80)를 회동시킴에 따라 기어트레인(71)을 통해 회전수가 증폭되어 기어트레인(71)의 출력 축(72)에 연결된 발전기(70)의 가동으로 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.

Description

수력을 이용한 발전시스템{Hydropower generation system}

본 발명은 수력을 이용한 발전시스템에 관한 것으로써, 좀더 구체적으로는 회전하는 물레방아의 외주면에 소정의 간격으로 형성된 만곡부에 낙하 직전 물을 수용하는 원형부재를 담아 트랙을 따라 자유 낙하시켜 발생되는 원형부재의 중력가속도에 의해 래치를 회동시키고 나면 원형부재로부터 물을 제거하여 가벼워지도록 한 후 다시 물레방아의 만곡부로 공급되도록 함에 따라 발전이 이루어질 수 있도록 하는 수력을 이용한 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 대한민국은 매년 화력(무연탄), 수력, 조력, 원자력 등을 에너지원으로 사용하고 있으며, 대체 에너지 개발에도 불구하고 에너지 자원 부족 국가 중 하나에 해당한다.

예컨대, 약 15억톤(3천kcal 이상 열량 기준)의 무연탄이 매장되어 있다고 보고되고 있으나, 그러한 무연탄의 이용 가능 매장량은 약 7억톤(강원도 영월, 정선 지역에 70% 매장)에 불과하며, 1988년 생산량 2천 4백만톤 이후 가정용 연료/난방 방법의 변화에 따라 생산량이 급감되고 있으며, 그러한 무연탄 자체도 비교적 열량이 낮아 산업용이나 발전용으로 적합지 않은 상태이다.

또한, 수력발전의 경우에는 양수발전 등을 포함하여 대략 600만kW가 활용 가능하나, 이미 309만 3천kW 이상이 개발되어 사용 중이므로, 앞으로 활용 가능량은 대략 289만kW(원자력발전소 3기 발전량에도 못 미침)로 추정하고 있다.

조수간만의 차를 이용한 조력발전의 경우에는 서해안 일부 지역에서 170만kW가 사용 가능한 것으로 추정하고 있으나, 역시 용량이 너무 적고 경제성이 낮은 단점이 있다.

원자력발전의 경우에는 연료를 수입에 의존하고 있고, 비록 옥천지역 등에서 약 5만톤 정도의 우라늄을 보유하고 있지만, 그 우라늄-235의 함량이 0.03%인 저품위 광물이어서 아직은 경제성이 없는 상태이다.

마지막으로, 대한민국에는 석유, 유연탄 등이 전혀 매장되어 있지 않거나 미확인 상태이며, 천연가스도 최근 근해 바다에 매장량과 규모 및 경제성도 불투명한 상태이다.

따라서 대체에너지의 개발에 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.

근래에 알려진 물레방아를 이용한 발전장치로는 국내특허 10-1445159호가 개시되어 있다.

도 1은 종래의 물레방아를 이용한 하향식 회전 발전 장치를 나타낸 사시도이고 도 2는 종래의 물레방아를 이용한 하향식 회전 발전 장치를 나타낸 정면도로써, 종래의 물레방아를 이용한 하향식 회전 발전 장치(A1)는, 수문(100)에 근접되게 설치되며, 일정 부분이 수중에 잠기도록 장착되어 물의 흐름에 의해 회전되는 물레방아(2); 상기 물레방아(2)의 회전력을 증가시키는 증속부(4); 상기 증속부(4)에 연결되어 회전 에너지를 전력으로 전환시켜 발전하는 발전장치(6)를 포함하고 있다.

그리고 증속부(4)의 회전력을 보조적으로 증가시켜 안정적인 발전이 유지되도록 하는 보조 구동장치(8)를 포함하고, 상기 발전장치(6)의 작동과 보조 구동장치의 작동을 제어하는 제어부(10)를 포함하고 있다.

상기 물레방아(2)는 원주방향으로 다수 연속 배열되며 다수의 격벽으로 구획되어 물이 수용되는 챔버(23)가 다수 개 형성된 회전륜(22)과, 상기 회전륜(22)의 중심에 결합되는 회전축(24)으로 구성되어 흐르는 유수의 흐름에 의해 회전하게 된다.

상기 회전축(24)의 양단부는 하천 변에 각각 형성된 장착대(3)에 베어링으로 결합되어 회전되도록 되어 있고 일 측의 장착대(3)에는 증속부(4)가 형성되어 있다.

상기 회전륜(22)의 챔버(23)는 상부가 개구되고 하부에 바닥면이 형성되며, 상기 바닥면의 일부분에 통공(232)이 형성되어 일부는 막혀있고 일부는 개구되어 있다.

따라서 챔버(23)에 물이 담긴 상태에서 상부로 회전되는 동안 일부의 물은 통공을 통해 점차 배출되므로 회전력이 보장된다.

상기 증속부(4)는 상기 물레방아(2)의 회전축(24)에 연결되어 회전 구동되는 주동기어(40)와, 상기 주동기어(40)에 결합되어 종속 회전되는 복수의 종동기어(42)로 구성되어 있다.

상기 주동기어(40)와 복수의 종동기어(42)는 평기어로 이루어지며 상호 기어의 치차끼리 결합되어 맞물려 회전될 수 있도록 구성되어 있다.

또한 복수의 종동기어(42)는 최종단으로 갈수록 직경이 점차 작아지도록 형성되어 있다.

한편, 발전장치(6)는 상기 복수의 종동기어(42) 중 상기 주동기어(40)와 연결된 제1종동기어(421)에 연결되어 회전되면서 전력을 생산하게 된다.

즉, 발전장치(6)의 로터(미도시)가 제1종동기어(421)의 축(421-2)에 연결되어 있으므로, 제1종동기어(421)의 회전에 연동되어 로터가 회전됨으로써 발전이 이루어지게 된다.

상기 보조 구동장치(8)는 상기 증속부(4)의 복수의 종동기어 중 최종단의 종동기어(425)에 연결되며 일정 조건에서는 상기 최종단의 종동기어(425)를 구동시켜 상기 발전장치(6)를 구동시키도록 보조 동력을 제공하는 인버터 모터(82)를 포함하여 이루어져 있다.

즉, 보조 구동장치(8)는 상기 인버터 모터(82)의 축(821)에 결합되며 선택적으로 접속 및 해제되는 커플링(83); 상기 최종단의 종동기어(425)에 결합된 풀리축(84); 상기 풀리축(84)에 형성된 풀리(86); 상기 커플링(83)의 축에 일단이 결합되며 상기 풀리(86)에 타단이 결합되어 인버터 모터(82)의 축의 회전력을 풀리축(84)에 전달하는 체인(88);을 포함하여 구성되어 있다.

상기 제어부(10)는 수문(100)의 개폐작동과 발전장치(6)와 보조 구동장치(8)의 작동을 선택적으로 제어하여 전력 생산이 원활하게 이루어지도록 하는 역할을 하게 된다.

정상적인 물레방아(2)의 회전속도에서는 발전장치(6)가 구동하여 전력을 생산하고, 물레방아(2)의 회전속도가 저하되는 경우에는 보조 구동장치(8)를 구동시켜 발전장치(6)의 회전력을 보정해줌으로써 연속적인 전력 생산이 가능해지게 된다.

(선행기술문헌)

(특허문헌 0001) 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1445159호(2014.09.22.등록)

그러나 이러한 종래의 발전장치는 다음과 같은 여러 가지 문제점이 발생되었다.

첫째, 물레방아가 수로를 따라 흐르는 물의 유속에 의해 회전하면서 발전을 하는 구조이어서, 유속이 느린 경우에는 물레방아가 회전하지 못하므로 전력을 생산할 수 없는 치명적인 결함이 있다.

둘째, 물레방아의 회전이 느려 증속부의 회전력을 보조적으로 증속시키는 별도의 보조 구동장치 및 제어부가 필요하므로 설치비가 과다하게 소요된다.

본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로써, 낙수에 의해 회전하는 물레방아에 의해 이송되어 트랙을 순환하면서 래치를 연속적으로 회동시킴에 따라 체인이 구동스프로킷을 회전시켜 발전이 이루어지도록 하는 원형부재를 물레방아의 회전으로 만곡부에 차례로 담겨져 상승 시에는 내부가 빈 상태로 하여 중량을 줄임에 따라 낙수의 양이 적더라도 물레방아가 회전할 수 있도록 하고, 만곡부에 담겨져 상사점에 도달했을 때에는 내부에 물이 채워진 상태에서 자유 낙하하면서 래치를 연속적으로 회동시킬 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 회전방향을 따라 만곡부가 소정의 간격으로 형성되어 낙수에 의해 회전하는 물레방아와, 상기 물레방아의 만곡부에 담겨져 상승할 때에는 덮개가 개방되어 속이 빈 상태로 상승하고 상사점에 도달하였을 때에는 내부에 물이 채워지도록 덮개를 닫아 자유 낙하되는 복수 개의 원형부재와, 상기 원형부재의 덮개를 자동으로 개폐하는 덮개 개폐수단과, 상기 물레방아에 형성된 만곡부가 하향 경사지는 지점으로부터 하향 경사지게 설치되어 만곡부에 담겨진 원형부재가 자중에 의해 이송되도록 안내하는 트랙과, 상기 트랙의 끝지점에 하향 경사지게 설치되어 회수된 원형부재를 물레방아의 회전 시 순차적으로 만곡부에 공급하는 공급트랙과, 상기 트랙 및 공급트랙을 지지하는 복수 개의 지지부재와, 상기 트랙에 설치되어 물이 채워진 원형부재가 트랙을 따라 순차적으로 하강함에 따라 동력을 발생시켜 발전기에서 전력이 생산되도록 하는 발전기 구동수단으로 구성되어 물레방아의 회전으로 원형부재가 트랙 및 공급트랙을 순환하면서 래치를 회동시킴에 따라 기어트레인을 통해 회전수가 증폭되어 기어트레인의 출력 축에 연결된 발전기의 가동으로 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 수력을 이용한 발전시스템이 제공된다.

본 발명은 종래의 장치에 비하여 다음과 같은 여러 가지 장점을 갖는다.

첫째, 물레방아의 만곡부에 담겨져 상승하는 원형부재는 덮개가 개방되어 속이 빈 상태로 상승하므로 그 무게가 가벼워 낙수의 양이 적은 상태에서도 원형부재의 이송이 가능하고, 원형부재가 상사점에 도달하면 원형부재의 내부에 물이 채워진 상태로 덮개를 닫아 중력 가속도가 최대인 상태에서 트랙을 따라 자유 낙하시켜 래치를 회동시키고, 이에 따라 상기 래치의 걸쇠가 구동 스프로킷 및 종동 스프로킷에 감겨진 체인을 연속적으로 이동시켜 전력을 생산하므로 갈수기(渴水期)에도 전력의 생산이 가능해지게 된다.

둘째, 별도의 보조 구동장치 및 제어부의 설치가 불필요하게 되므로 설치비를 절감할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 물레방아를 이용한 하향식 회전 발전장치를 나타낸 사시도
도 2는 종래의 물레방아를 이용한 하향식 회전 발전장치를 나타낸 정면도
도 3은 본 발명의 일 실시예를 나타낸 측면도
도 4는 도 3의 정면도
도 5는 본 발명에 적용되는 원형부재를 나타낸 사시도
도 6a는 토션스프링의 복원력에 의해 본체의 개구부가 개방된 상태도
도 6b는 내부에 물이 채워지고, 모터의 구동으로 덮개가 개구부를 폐쇄한 상태도
도 7은 도 3의 "A"부 사시도로써, 물레방아의 측벽을 제거한 상태도
도 8은 도 3의 "B"부 사시도
도 9는 본 발명의 다른 발전기 구동수단이 설치된 상태의 측면도
도 10은 도 9의 정면도
도 11은 도 9의 "C"부 사시도
도 12는 본 발명의 다른 실시예에서 래치의 걸쇠가 체인의 돌출부에 걸린 상태의 사시도
도 13은 본 발명의 기어트레인 출력 축에 모터가 설치된 상태의 평면도

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다. 도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예를 나타낸 측면도이고 도 4는 도 3의 정면도이며 도 5는 본 발명에 적용되는 원형부재를 나타낸 사시도로써, 본 발명은 물레방아(50)에 회전방향을 따라 만곡부(51)가 소정의 간격으로 형성되어 있어 상기 물레방아(50)가 상부에 설치된 수로(53)를 따라 이동하는 낙수에 의해 회전함에 따라 만곡부(51)에 원형부재(52)를 담아 트랙(60)으로 자유 낙하시키도록 구성되어 있다.

상기 원형부재(52)는 도 5에 나타낸 바와 같이 개구부(h)를 갖는 본체(52a)와, 상기 본체(52a)의 내부에 회전 가능하게 설치된 축(53)에 고정되어 축(53)의 회전에 따라 회전하면서 본체(52a)의 개구부(h)를 개폐하는 덮개(52b)로 구성되어 있어 원형부재(52)의 위치에 따라 후술하는 덮개 개폐수단에 의해 자동으로 개폐하도록 되어 있다.

이때, 상기 만곡부(51)에 담겨져 이송되는 원형부재(52)의 크기는 후술하는 발전기(70)의 용량에 따라 적절한 크기로 적용 가능함은 이해 가능한 것이다.

상기 원형부재(52)가 자유 낙하되는 트랙(60)은 상기 물레방아(50)에 형성된 만곡부(51)가 하향 경사지는 지점으로부터 하향 경사지게 설치되어 있고 상기 트랙(60)의 끝 지점에는 회수된 원형부재(52)를 물레방아(50)의 회전 시 순차적으로 만곡부(51)에 공급하는 공급트랙(61)이 도 3과 같이 하향 경사지게 설치되는데, 이들 트랙(60) 및 공급트랙(61)은 복수 개의 지지부재(62)에 의해 지지된다.

상기 트랙(60)을 일체형으로 제작하여도 되지만, 제작 및 시공의 편의성을 고려하여 본 발명의 일 실시예에서는 도 3 및 도 4와 같이 물레방아(50)의 원형부재(52) 토출 측에 하향 경사지게 직선형태로 설치된 제1 트랙(63)과, 상기 물레방아(50)의 인입 측에 설치된 공급트랙(61)에 연결되게 하향 경사지게 직선형태로 설치된 제2 트랙(64)과, 상기 제1, 2 트랙(63)(64)의 연결부위에 설치되어 원형부재(52)의 방향을 전환하는 연결트랙(65)으로 분할 형성되어 있다.

상기 원형부재(52)의 덮개(52b)를 개폐하는 덮개 개폐수단은, 상기 축(53)의 양단에 각각 감싸지게 설치되어 일단은 본체(52a)에 고정되고 타단은 덮개(52b)에 고정된 토션스프링(54)과, 상기 축(53)의 일단에 고정된 모터(55)와, 상기 원형부재(52)가 물레방아(50)의 만곡부(51)에 담겨져 상사점에 도달하였을 때 원형부재(52)를 감지하여 모터(55)에 전원이 인가되도록 하는 제1 센서(56)와, 상기 트랙(60)에 설치되어 래치(80)를 회동시키고 난 원형부재(52)를 감지하여 모터(55)의 구동이 중단되도록 하는 제2 센서(57)로 구성되어 있다.

상기 축(53)의 일단에 고정되는 모터(55)는 DC모터이고 방수기능을 갖고 있으며, 제1, 2 센서(56)(57)는 원형부재(52)의 내부에 금속재질의 모터(55)가 설치되어 있어 원형부재(52)를 감지할 수 있고, 상기 모터(55)에는 제1, 2 센서(56)(57)가 원형부재(52)를 감지함에 따라 모터(55)에 전원을 온/오프하는 제어부(도시는 생략함)가 내장되어 있다.

한편, 본체(52a)에 덮개(52b)가 닫힌 상태에서는 원형부재(52)의 내부에 채워진 물이 새지 않도록 기밀이 유지되도록 구성되어 있음은 이해 가능한 것이다.

그리고 상기 트랙(60) 중 제1 트랙(63)에는 물이 채워진 원형부재(52)가 트랙(60)을 따라 순차적으로 하강함에 따라 동력을 발생시켜 후술하는 발전기(70)에서 전력이 생산되도록 하는 발전기 구동수단이 설치되어 있다.

상기 발전기 구동수단이 본 발명의 일 실시예로 나타낸 도 3, 도 4, 도 8에서와 같이 제1 트랙(63) 상에 소정의 간격으로 축(81)이 축지지구(87)에 회전 가능하게 설치되어 있고 상기 각 축(81)에는 제1 트랙(63)의 내부에 위치되도록 래치(80)가 고정되어 있는데, 상기 래치(80)의 외주면에는 원형부재(52)가 통과 시 래치(80)가 회전하도록 복수 개의 가동편(82)이 형성되어 있다.

그리고 축(81)의 일단에 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)이 각각 고정되어 있고 상기 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)에는 체인(90)이 감겨져 있다.

그러나 상기 발전기 구동수단을 다른 실시예로 나타낸 도 9 내지 도 11과 같이 축(81)을 중심으로 회동하는 래치(80)가 도 9와 같이 다단으로 설치되어 있는데, 상기 래치(80)는 도 12와 같이 제1 트랙(63)의 내부에 위치하여 원형부재(52)에 의해 축(81)을 중심으로 회동하는 가동편(82)과, 상기 가동편(82)에 일체로 형성되어 트랙(60)의 양측 외부에 위치하는 걸쇠(83)로 구성할 수도 있음은 이해 가능한 것이다.

이때, 상기 래치(80)의 외주면에는 물이 채워진 원형부재(52)가 반복적으로 충격을 가하므로 강도를 보강하기 위해 덧살(84)을 형성하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 트랙(60)의 양측에 도 9와 같이 소정의 간격을 유지하며 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)이 설치되어 있고 상기 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)에는 래치(80)의 걸쇠(83)가 걸리도록 소정의 간격으로 돌출부(91)가 형성된 체인(90)이 감겨져 있다.

상기 체인(90)에 형성되는 돌출부(91)의 피치(ℓ)는 도 12와 같이 래치(80)의 회전 축(81)과 걸쇠(83)의 끝단 거리(ℓ')와 동일하게 설정되어 있다.

또한, 상기 축(81) 중 최종 축에는 도 13과 같이 축의 회전수를 증폭시키는 공지의 기어 트레인(71)이 설치되어 있고 상기 기어 트레인(71)의 출력 측에 동일 축(72)으로 전력을 생산하는 발전기(70)가 설치되어 있다.

상기 기어 트레인(71)의 내부에는 직경이 점진적으로 적어지는 복수개의 스퍼어기어가 설치되어 있어 그 회전수가 증폭되어 발전기(70)를 빠르게 회전시키는 구성으로, 이러한 구성은 이미 널리 알려진 공지의 구성이므로 이에 대한 구체적인 도시 및 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서는 발전시스템의 초기 구동 시 부하를 최소화할 수 있도록 상기 기어 트레인(71)의 출력 축(73)에 모터(74)를 클러치(75)로 연결되게 설치하여 상기 모터(74)가 기어트레인(71)을 설정된 시간 동안 구동시키도록 구성하는 것이 보다 바람직하다.

이에 따라, 물레방아(50)의 회전으로 트랙(60)을 따라 원형부재(52)가 연속적으로 자유 낙하될 때, 구동 스프로킷(85)에 원심력이 작용되므로 부하를 줄일 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 물레방아(50)가 회전하기 전에는 소정의 크기를 갖는 복수 개의 원형부재(52)가 공급트랙(61)에 대기하고 있는데, 이때에는 모터(55)에 전원이 인가되어 있지 않아 덮개(52b)는 도 6a와 같이 토션스프링(54)의 복원력에 의해 본체(52a)로부터 열려 개구부(h)가 개방된 상태이므로 원형부재(52)에는 물이 없어 무게가 가볍다.

따라서 수로(53)에서 떨어지는 낙수의 양이 적더라도 물레방아(50)의 회전에 따른 부하가 최소화되므로 물레방아(50)가 회전된다.

이러한 상태에서 낙수에 의해 물레방아(50)가 도면상 반시계방향으로 회전하면 상기 공급트랙(61)에 대기하고 있던 원형부재(52)가 만곡부(51)에 차례로 1개씩 투입된 상태로 물레방아(50)가 회전하는데, 상기 만곡부(51)에 담겨진 원형부재(52)는 만곡부(51)가 하향 경사지게 위치하는 지점(자유 낙하되는 지점)까지는 물레방아(50)에서 이탈되지 않고 상부로 이송된다.

상기한 바와 같이 원형부재(52)가 만곡부(51)에 담겨져 상사점에 도달하면 만곡부와 만곡부 사이에는 물이 가득 채워진 상태이므로 개구부(h)가 개방된 원형부재(52)의 내부에도 물이 충만하는데, 이러한 상태에서 물레방아(50)의 양측에 설치된 제1 센서(56)가 원형부재(52)를 감지하면 모터(55)에 내장된 제어부가 모터에 전원을 인가하므로 축(53)이 회전하게 된다.

이에 따라, 축(53)에 감싸져 양단이 본체(52a)와 덮개(52b)에 각각 고정된 토션스프링(54)을 압축시키면서 덮개(52b)가 도 6b와 같이 닫히게 된다.

상기 원형부재(52)가 물레방아(50)의 만곡부(51)에 의해 담겨져 상사점에 위치되어 내부에 물이 가득 채워진 상태에서 물레방아(52)가 낙수에 의해 계속해서 회전하여 원형부재(52)가 자유 낙하지점에 도달하면 자중에 의해 만곡부(51)에서 빠져나와 트랙(60)을 따라 이동할 때 원형부재(52)에는 물이 채워져 있어 중력가속도에 의해 질량이 커져 빠른 속도로 제1 트랙(63)에 위치한 1번째 래치(80)를 통과하게 된다.

본 발명의 일 실시예로 나타낸 도 4에서는 원형부재(52)가 1번째 래치(80)의 가동편(82)을 통과함에 따라 래치(80)가 축(81)을 중심으로 회동하면 그 회전력이 체인(90)을 통해 하부에 위치된 축(81)으로 전달되는데, 이러한 동작은 원형부재(52)가 다단으로 설치된 래치(80)를 순차적으로 통과함에 따라 연속적으로 이루어지게 된다.

그러나 다른 실시예로 나타낸 도 12에서는 상기 가동편(82)에 걸쇠(83)가 일체로 형성되어 있어 걸쇠(83)가 체인(90)에 소정의 간격으로 형성된 돌출부(91)를 밀어주게 되므로 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)에 감겨져 있던 체인(90)을 1피치 만큼 이동시키게 되고, 이에 따라 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)이 회전하는데, 이러한 동작은 원형부재(52)가 다단으로 설치된 래치(80)를 통과함에 따라 연속적으로 이루어지게 된다.

한편, 원형부재(52)에 의해 축(81)을 중심으로 회동하였던 래치(80)는 원형부재(52)가 가동편(83)을 통과함에 따라 무게 중심에 따라 초기 상태로 환원된 다음 세로운 원형부재(52)가 하강할 때까지 대기하게 된다.

상기한 바와 같은 동작으로 구동 스프로킷(85)이 회전하면 구동 스프로킷(85)의 회전수가 기어트레인(71)에서 증폭되어 발전기(70)를 구동시키게 된다.

상기 물레방아(50)의 만곡부(51)에서 빠져나와 래치(80)를 회동시켰던 원형부재(52)를 트랙(60)의 초입에 설치된 제2 센서(57)가 감지함에 따라 제어부에 의해 모터(55)에 인가되던 전원을 오프시키므로 덮개(52b)는 토션스프링(54)의 복원력에 의해 도 6a와 같이 열리게 되고, 이에 따라 원형부재(52)의 내부에 있던 물이 개구부(h)를 통해 외부로 배출된다.

내부에서 물이 배출되고 난 원형부재(52)는 자중에 의해 제1 트랙(63) - 연결트랙(65) - 제2 트랙(64)을 거쳐 하향 경사진 공급트랙(61)으로 이동하여 대기하였다가 계속되는 물레방아(50)의 회전에 따라 공급트랙(61)이 하향 경사져 있어 순차적으로 물레방아(50)의 만곡부(51)에 자동 공급되므로 낙수에 의해 물레방아(50)가 회전하는 동안에는 원형부재(52)는 물이 채워진 상태에서 중력가속도에 의해 트랙(60)을 따라 빠른 속도로 하강하면서 래치(80)를 회동시키게 된다.

따라서 래치(80)의 회전에 따른 회전력이 기어트레인(71)에서 증폭되어 발전기(70)를 구동시키게 되므로 전력을 생산할 수 있게 된다.

한편, 계속되는 원형부재(52)의 하강으로 체인(90)에 의해 동력이 전달되면 모터(74)의 구동으로 부하가 최소화되어 기어트레인(71)이 작동되므로 모터(74)의 동력이 기어트레인(71)으로 전달되지 않도록 클러치(75)를 이용하여 차단함과 동시에 모터(74)의 구동을 중단시켜 전력 소모를 줄이게 됨은 이해 가능한 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

50 : 물레방아 51 : 만곡부
52 : 원형부재 52a : 본체
52b : 덮개 54 : 토션스프링
55 : 모터 56, 57 : 제1, 2 센서
60 : 트랙 61 : 공급트랙
62 : 지지부재 63 : 제1 트랙
64 : 제2 트랙 65 : 연결트랙
70 : 발전기 71 : 기어트레인
74 : 모터 75 : 클러치
80 : 래치 82 : 가동편
83 : 걸쇠 85 : 구동 스프로킷
86 : 종동 스프로킷 90 : 체인
91 : 돌출부

Claims

회전방향을 따라 만곡부(51)가 소정의 간격으로 형성되어 낙수에 의해 회전하는 물레방아(50)와,
상기 물레방아(50)의 만곡부(51)에 담겨져 상승할 때에는 덮개(52b)가 개방되어 속이 빈 상태로 상승하고 상사점에 도달하였을 때에는 내부에 물이 채워지도록 덮개(52b)를 닫아 자유 낙하되는 복수 개의 원형부재(52)와,
상기 원형부재(52)의 덮개(52b)를 자동으로 개폐하는 덮개 개폐수단과,
상기 물레방아(50)에 형성된 만곡부(51)가 하향 경사지는 지점으로부터 하향 경사지게 설치되어 만곡부(51)에 담겨진 원형부재(52)가 자중에 의해 이송되도록 안내하는 트랙(60)과,
상기 트랙(60)의 끝지점에 하향 경사지게 설치되어 회수된 원형부재(52)를 물레방아(50)의 회전 시 순차적으로 만곡부(51)에 공급하는 공급트랙(61)과,
상기 트랙(60) 및 공급트랙(61)을 지지하는 복수 개의 지지부재(62)와,
상기 트랙(60)에 설치되어 물이 채워진 원형부재(52)가 트랙(60)을 따라 순차적으로 하강함에 따라 동력을 발생시켜 발전기(70)에서 전력이 생산되도록 하는 발전기 구동수단으로 구성되어 상기 물레방아(50)의 회전으로 원형부재(52)가 트랙(60) 및 공급트랙(61)을 순환하면서 발전기 구동수단을 작동시킴에 따라 기어트레인(71)을 통해 회전수가 증폭되어 기어트레인(71)의 출력 축(72)에 연결된 발전기(70)의 가동으로 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 수력을 이용한 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 발전기 구동수단이,
제1 트랙(63) 상에 소정의 간격으로 축지지구(87)에 회전 가능하게 설치된 축(81)과,
상기 각 축(81)에 고정되어 제1 트랙(63)의 내부에 위치하며 외주면에는 원형부재(52)가 통과 시 래치(80)가 회전하도록 복수 개의 가동편(82)이 형성된 래치(80)와,
상기 각 축(81)의 일단에 고정되어 체인(90)이 감기는 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)으로 구성된 것을 특징으로 하는 수력을 이용한 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 발전기 구동수단이,
상기 트랙(60)에 축(81)을 중심으로 회동 가능하게 다단으로 설치되며, 트랙(60)의 내부에는 가동편(82)이 위치되고 트랙(60)의 양측 외부에는 걸쇠(83)가 위치되도록 하여 원형부재(52)가 가동편(82)을 통과함에 따라 회동하였다가 가동편(82)의 자중에 의해 복귀되는 래치(80)와,
상기 트랙(60)의 양측에 소정의 간격을 유지하며 설치된 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)과, 상기 구동 스프로킷(85) 및 종동 스프로킷(86)에 걸리게 설치되고 외주면에는 래치(80)의 걸쇠(83)가 걸리도록 소정의 간격으로 돌출부(91)가 형성된 체인(90)으로 구성된 것을 특징으로 하는 수력을 이용한 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 원형부재(52)는 개구부(h)를 갖는 본체(52a)와, 상기 본체(52a)의 내부에 회전 가능하게 설치된 축(53)에 고정되어 축(53)의 회전에 따라 회전하면서 본체(52a)의 개구부(h)를 개폐하는 덮개(52b)로 구성하고, 덮개 개폐수단은 상기 축(53)의 양단에 각각 감싸지게 설치되어 일단은 본체(52a)에 고정되고 타단은 덮개(52b)에 고정된 토션스프링(54)과, 상기 축(53)의 일단에 고정되어 제1, 2 센서(56)(57)의 감지에 따라 구동이 제어되는 모터(55)로 구성된 것을 특징으로 하는 수력을 이용한 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 트랙(60)이 물레방아(50)의 원형부재(52) 토출 측에 하향 경사지게 직선형태로 설치된 제1 트랙(63)과, 상기 물레방아(50)의 인입 측에 설치된 공급트랙(61)에 연결되게 하향 경사지게 직선형태로 설치된 제2 트랙(64)과, 상기 제1, 2 트랙(63)(64)의 연결부위에 설치되어 원형부재(52)의 방향을 전환하는 연결트랙(65)으로 구성된 것을 특징으로 하는 수력을 이용한 발전시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 기어트레인(71)의 출력 축(73)에 모터(74)를 클러치(75)로 연결되게 설치하여 초기 구동 시 모터(74)가 기어트레인(71)을 설정된 시간동안 구동시키도록 된 것을 특징으로 하는 수력을 이용한 발전시스템.