KR102211447B1 - Partially submerged blade structure type hydroelectric power system with predicting generation quantity - Google Patents

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KR102211447B1
KR102211447B1 KR1020200033070A KR20200033070A KR102211447B1 KR 102211447 B1 KR102211447 B1 KR 102211447B1 KR 1020200033070 A KR1020200033070 A KR 1020200033070A KR 20200033070 A KR20200033070 A KR 20200033070A KR 102211447 B1 KR102211447 B1 KR 102211447B1
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이상호
전중규
박기두
정재환
이준희
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이상호
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박기두
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Abstract

The present invention relates to a hydroelectric power system. More particularly, the present invention relates to a hydroelectric power generation system with a partially-submerged blade structure, which can predict the amount of power generation in the hydroelectric power generation of a partially-submerged blade structure that is installed so that a part is obtained in flowing water such as a river, and is configured to provide an optimal power generation environment by actively varying the overall diameter of a water wheel or the depth of the blade according to the river flow change.

Description

발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템{Partially submerged blade structure type hydroelectric power system with predicting generation quantity}Partially submerged blade structure type hydroelectric power system with predicting generation quantity}

본 발명은 수력발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하천 등 흐르는 물에 일부분이 입수되게 설치되는 부분 입수형 블레이드 구조의 수력 발전에서 발전량을 예측할 수 있으며, 수차의 전체 직경이나 블레이드의 입수 깊이를 하천 유황에 따라 능동적으로 가변시켜 최적의 발전 환경을 제공할 수 있도록 구성된 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydroelectric power generation system, and more particularly, it is possible to predict the amount of power generation in hydroelectric power generation of a partially-receivable blade structure in which a part of the water flows such as a river is installed, and the total diameter of the water wheel or the depth of the blade It relates to a hydroelectric power generation system of a partially-receivable blade structure configured to provide an optimal power generation environment by actively varying according to river sulfur.

일반적으로 대부분의 발전 시스템은 수력 및 화력과 원자력 등을 이용하며, 때로는 풍력이나 조력 또는 태양열 등을 이용하는 경우가 있지만 전체 발전량과 비교할 때 극히 미미한 양이다.In general, most power generation systems use hydropower, thermal power, and nuclear power, and sometimes use wind power, tidal power, or solar power, but they are insignificant compared to the total amount of power generation.

그리고 통상의 수력발전 구조는 높은 곳의 물이 가지고 있는 위치에너지 또는 유량으로 수차를 이용하여 기계적 에너지로 변환하고, 이것을 다시 전기에너지로 변환하는 발전방식이다. 즉, 물의 낙하하는 힘 또는 유량으로 터빈 또는 수차를 돌리고, 터빈 또는 수차의 회전력을 이용하여 발전기를 구동시켜 전기를 발생시키는 것이다.In addition, the conventional hydroelectric power generation structure is a power generation method in which the potential energy or flow rate of water in a high place is converted into mechanical energy using aberration, and this is converted back into electrical energy. That is, the turbine or water wheel is turned by the falling force or flow rate of water, and the generator is driven by using the rotational force of the turbine or water wheel to generate electricity.

이러한 원리를 이용하는 수력발전은 물을 이용하여 전력을 생산하기 때문에 화력발전이나 원자력발전에 비하여 환경친화적일 뿐만 아니라, 운전 비용의 측면에 서도 비교적 저렴한 비용으로 양질의 전력공급이 가능하다는 이점이 있으며, 홍수기에는 홍수를 조절할 수 있다는 홍수조절기능과 댐의 저수용량 확보로 갈수기에는 용수의 공급량을 증가시킬 수 있다는 용수조절기능 등이 부가되는 등 수자원의 이수적 측면과 치수적 측면에 있어 매우 효과적이라는 이점이 있다.Since hydroelectric power generation using this principle uses water, it is not only environmentally friendly compared to thermal power generation or nuclear power generation, but also has the advantage of providing high-quality power at a relatively low cost in terms of operating costs. The advantage of being very effective in terms of both water and dimensional aspects of water resources, such as a flood control function that can control floods during the flood season and a water control function that can increase the supply of water during the dry season by securing a low water capacity of the dam. There is this.

수력발전은 하천을 가로질러 높은 댐을 쌓아 댐의 상류측 수위를 올려서 하류측과의 사이에 낙차를 얻고, 이 낙차를 이용하여 발전하는 방식의 댐식 수력발전과, 하천의 경사에 의한 낙차를 그대로 이용하여 하천의 상, 중류부에서 경사가 급하고 굴곡된 곳을 짧은 수로로 유로를 바꾸어서 빠른 유속을 얻는 방식의 수로식 수력발전이 있다.In hydroelectric power generation, high dams are stacked across a river to raise the water level on the upstream side of the dam to obtain a drop between the downstream side, and the dam-type hydroelectric power generation method using this drop to generate electricity, and the drop caused by the slope of the river as it is. There is a hydroelectric power generation method of a method of obtaining a fast flow rate by changing the flow path to a short channel where the slope is steep and bent in the upper and middle stream of the river.

한편, 수력발전은 터빈을 회전시켜 전기를 발생시킨 후 방류되는 물을 재사용하기 위해 야간 및 심야 등의 전력 수요가 적은 시간대에 터빈을 펌프로 바꿔 하류로부터 물을 끌어올린 다음, 전력수요가 많은 시간에 물을 낙하시킴과 동시에 떨어지는 물의 낙차에 의해 재차 터빈을 돌려 전기를 발생시키도록 하는 양수식 발전이 있다.On the other hand, in hydroelectric power generation, in order to reuse the water discharged after generating electricity by rotating the turbine, the turbine is replaced with a pump during times of low power demand, such as at night and at night, to raise water from the downstream, and then, when the demand for power is high. There is a two-handed power generation system that generates electricity by turning the turbine again due to the drop of the falling water at the same time as the water falls on the ground.

댐식 수력발전 및 수로식 수력발전은 발전에 필요한 낙차를 얻을 수 있는 지형조건을 갖추어야 하므로 댐 및 수로 건설 입지가 지극히 제한적일 수 밖에 없으며, 댐 및 수로의 건설 비용이 많이 소요되며 생태계에도 막대한 지장을 주고, 양수식 발전은, 한 번 터빈을 회전시켜 발전기를 통하여 전력을 발생시킨 물을 다시 상류로 끌어 올리기 위해서 터빈과 발전기를 펌프와 전동기로 바꿔가면서 사용하여야 하기 때문에 터빈과 발전기에 고장이 발생될 우려가 있다.Dam-type hydroelectric power generation and waterway-type hydroelectric power generation must have the topographical conditions to obtain a drop required for power generation, so the location of dam and waterway construction is inevitably limited, and the construction cost of dams and waterways is high, and it causes enormous obstacles to the ecosystem. In the case of pumped-up power generation, the turbine and the generator are likely to break down because the turbine and the generator must be switched to a pump and an electric motor in order to raise the water generated by the generator to the upstream by rotating the turbine once. .

이러한 종래 수력발전의 문제점을 해결하고 소형 발전장치로 사용하기 위해, 물의 흐름 에너지를 이용하여 수면에 설치된 다수의 회전체를 회전시켜 전력을 얻는 부유식 수력발전장치가 한국공개특허 제2005-0003976호로 개시되어 있다.In order to solve the problems of conventional hydroelectric power generation and use it as a small power generation device, a floating hydroelectric power generation device that obtains power by rotating a plurality of rotating bodies installed on the surface of the water using the flow energy of water is disclosed as Korean Patent Publication No. 2005-0003976. It is disclosed.

한국공개특허 제2005-0003976호는 부력에 의하여 수면 위에 부유되는 바지선의 양측에 활차가 설치되고, 활차의 회전에 따라 구동되는 발전기가 바지선의 중간에 설치되며, 바지선이 떠내려가지 않도록 바지선을 고정할 수 있는 장비가 필요하고, 활차는 다수의 날개가 방사상으로 설치된 통형의 임펠러 형태로 형성되어 수면 가까이에서 주로 물의 속도에너지를 받아 회전하는 구조이다.Korean Patent Laid-Open No. 2005-0003976 discloses that a pulley is installed on both sides of a barge floating on the water surface by buoyancy, and a generator driven by the rotation of the pulley is installed in the middle of the barge, and the barge is fixed so that the barge does not float. It requires equipment that can be used, and the pulley is formed in the form of a cylindrical impeller in which a number of wings are radially installed, and is a structure that rotates by receiving the velocity energy of water mainly near the water surface.

그러나 종래 부유식 수력발전장치는 활차의 날개가 물속으로 들어 갈 때에 넓은 면적에 걸쳐 물의 저항을 받으므로 활차의 회전력이 줄게 되어 발전 효율이 저하되며, 특히 발전량의 예측을 위한 수단이 부재함으로 향후 수력발전에 따른 수익성을 추정할 수 없는 문제점이 있다.However, the conventional floating hydroelectric power generation device receives resistance from water over a large area when the pulley's wings go into the water, so the rotational power of the pulley decreases, which reduces power generation efficiency. There is a problem that the profitability of power generation cannot be estimated.

한국공개특허 제2005-0003976호Korean Patent Publication No. 2005-0003976

따라서 본 발명의 목적은 물의 저항이 최소화되도록 부분 입수형 블레이드 구조를 적용하여 발전 효율이 향상되게 하면서 부분 입수형 블레이드 구조를 고려하여 월간 또는 연간 발전량을 예측할 수 있도록 구성된 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템을 제공하고자 하는 것이다.Therefore, it is an object of the present invention to apply a partially-receivable blade structure to minimize water resistance, thereby improving power generation efficiency, while considering the partially-receivable blade structure to predict the monthly or annual power generation amount. It is to provide a structural hydroelectric power system.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템(이하 '본 발명의 시스템'이라 칭함)은, 부분 입수형 블레이드 구조를 갖는 수력발전 시스템에 있어서, 유수의 흐름방향에 대해 수평방향으로 회전 가능하도록 설치되는 수직축의 외주연에 방사형으로 복수의 블레이드가 배치되고 수중에서 상기 블레이드의 일부가 일정 깊이로 잠기도록 구성되는 수차를 포함하는 발전장치; 및 상기 수차의 설계 재원과 블레이드의 입수 깊이가 입력되는 설정부와 상기 수차에 인접하여 설치되고 유속을 계측하여 출력하는 센서부를 포함하며, 상기 설정부에 입력된 데이터와 상기 센서부에서 출력되는 데이터를 기반으로 기 정의된 아래의 [수학식 1]을 통해 예측 발전량을 산출하는 산출장치;를 포함하는 것이 특징이다.In order to achieve the above object, a hydroelectric power generation system having a partially-receiving blade structure capable of predicting the amount of power generation according to the present invention (hereinafter referred to as'system of the present invention') is, in a hydroelectric power generation system having a partially-receiving blade structure , A power generation device including a water wheel in which a plurality of blades are radially disposed on the outer periphery of a vertical axis installed to be rotatable in a horizontal direction with respect to the flow direction of flowing water, and a part of the blades is submerged to a predetermined depth in water; And a setting unit for inputting the design resources of the aberration and the depth of acquisition of the blade, and a sensor unit installed adjacent to the aberration and measuring and outputting a flow velocity, and data input to the setting unit and data output from the sensor unit It characterized in that it includes; a calculation device that calculates the predicted power generation amount through the following [Equation 1] predefined based on.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020028488871-pat00001
Figure 112020028488871-pat00001

여기서, (P : 발전량[W])Here, (P: power generation [W])

C0 : 수차발전상수; 단, C0=8.893×10-7 C 0 : Water turbine power generation constant; However, C 0 =8.893×10 -7

Cd : 수차직경·수심비에 대한 발전량 보정계수; C d : Power generation correction factor for aberration diameter and depth ratio;

단,

Figure 112020028488871-pat00002
only,
Figure 112020028488871-pat00002

Figure 112020028488871-pat00003
: 물의 밀도; 단, 20℃ 상태에서의 물의 밀도
Figure 112020028488871-pat00004
Figure 112020028488871-pat00003
: Density of water; However, the density of water at 20℃
Figure 112020028488871-pat00004

V : 접근 유속[m/s]V: Approach flow velocity [m/s]

D : 수차 직경[m]D: diameter of aberration [m]

d : 입수 깊이[m]d: depth of ingestion [m]

b : 블레이드의 폭[m]b: blade width [m]

Ad : 블레이드의 입수면적 [㎡]; 단, Ad=bd)A d : the receiving area of the blade [㎡]; However, A d =bd)

하나의 예로써, 상기 산출장치는, 기 정의된 아래의 [수학식 2]를 통해 연간 또는 월간 예측 발전량을 산출하는 것이 특징이다.As an example, the calculation device is characterized by calculating an annual or monthly predicted power generation amount through a predefined [Equation 2] below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020028488871-pat00005
Figure 112020028488871-pat00005

여기서, (W : 예측 발전량(월간 발전량 산정의 경우 Wh/월, 연간 발전량 산정의 경우 Wh/년)Here, (W: Estimated power generation (Wh/month for monthly power generation calculation, Wh/year for annual power generation calculation)

CH : 발전월수 산정상수;C H : Calculation constant for development months;

단, 월간 발전량 산정의 경우 CH = 1/Hm(여기서, Hm : 발전월수[월])However, in the case of monthly power generation calculation, C H = 1/H m (here, H m : power generation month [month])

연간 발전량 산정의 경우 CH = 1/Hy(여기서, Hy : 발전년수[년])In the case of annual power generation calculation, C H = 1/H y (here, H y : development years [years])

Hh : 일평균발전시간[hr]H h : Daily average power generation time [hr]

Hd : 1년 동안의 총 발전일수[일]H d : Total development days in one year [days]

(단, 월간 발전량 산정 시, 30일 동안 수력발전을 할 경우, Hd = 30일(However, when calculating monthly power generation, if hydroelectric power is performed for 30 days, H d = 30 days

연간 발전량 산정 시, 1년(12개월) 동안 수력발전을 할 경우, Hd = 365일)When calculating annual power generation, in case of hydroelectric power generation for one year (12 months), H d = 365 days)

하나의 예로써, 상기 수차는, 상기 블레이드를 상기 수직축의 축방향을 따라 장착되게 하여 수직축과 블레이드가 일체 연동되게 하는 허브와, 수면과 상기 허브 간의 이격 거리를 가변시켜 상기 블레이드의 입수 깊이를 조정하는 제 1가변수단을 더 포함하는 것이 특징이다.As an example, the aberration is a hub that allows the blade to be mounted along the axial direction of the vertical axis so that the vertical axis and the blade are integrally interlocked, and by varying the separation distance between the water surface and the hub, the depth of acquisition of the blade is adjusted. It is characterized in that it further includes a first variable stage.

하나의 예로써, 상기 수차는, 상기 허브로부터 블레이드의 길이를 가변시켜 수차의 전체 직경을 조정하는 제 2가변수단을 더 포함하는 것이 특징이다.As an example, the aberration may further include a second variable stage for adjusting the total diameter of the aberration by varying the length of the blade from the hub.

하나의 예로써, 상기 발전장치는, 상기 산출장치에서 산출되는 예측 발전량 정보를 전달받고 이를 기반으로 상기 제 1가변수단 또는 제 2가변수단의 가변 작동을 선택적으로 제어하는 제어부를 더 포함하는 것이 특징이다.As an example, the power generation device further comprises a control unit receiving information on the predicted power generation amount calculated by the calculation device and selectively controlling the variable operation of the first variable stage or the second variable stage based on this information. to be.

하나의 예로써, 상기 블레이드는, 물이 흐르는 방향과 대향하는 일면에 골이 형성되는 곡면형으로 구성되는 것이 특징이다.As an example, the blade is characterized in that it is configured in a curved shape in which valleys are formed on one surface opposite to the direction in which water flows.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 시스템은 하천 등 흐르는 물에 일부분이 입수되게 설치되는 부분 입수형 블레이드 구조를 적용하여 물의 저항으로 인한 발전 효율 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.As described above, the system of the present invention has an effect of minimizing a decrease in power generation efficiency due to water resistance by applying a partially-receiving blade structure in which a part is installed in flowing water such as a river.

그리고 부분 입수형 블레이드 구조를 고려한 설계식에 의해 수력 발전에서 월간 또는 연간 예측 발전량을 산출함으로써 향후 미래의 수익성을 용이하게 추정할 수 있는 효과가 있다.In addition, by calculating the monthly or annual predicted generation amount in hydroelectric power generation by a design formula that considers the partially available blade structure, there is an effect that it is possible to easily estimate future profitability in the future.

또한 예측 발전량에 주요 함수로 작용하게 되는 수차의 전체 직경이나 블레이드의 입수 깊이를 하천 유황에 따라 능동적으로 가변시켜 최적의 발전 환경을 제공함으로써 이를 통해 수력발전 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, by providing an optimal power generation environment by actively varying the total diameter of the aberration or the depth of the blade, which acts as a main function of the predicted power generation amount, according to the river sulfur, there is an effect of further improving the efficiency of hydroelectric power generation.

도 1 내지 도 15은 본 발명의 시스템의 실험예에 따른 결과를 나타내는 도면.
도 16는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차원해석을 통해 얻은 독립무차원수 간의 관계식 산출을 나타내는 도면.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 설계식과 실험 발전량의 비교 그래프.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 설계식을 이용한 수차직경별 입수깊이 증가에 따른 발전량을 나타내는 그래프.
1 to 15 are diagrams showing results according to experimental examples of the system of the present invention.
16 is a diagram illustrating a calculation of a relational expression between independent dimensionless numbers obtained through dimensional analysis according to an embodiment of the present invention.
17 is a comparison graph of a design formula and experimental power generation according to an embodiment of the present invention.
18 is a graph showing the amount of power generation according to an increase in depth of acquisition for each aberration diameter using a design equation according to an embodiment of the present invention.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.In describing the present invention, terms or words used in the present specification and claims are the present invention based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of

본 발명의 시스템은 부분 입수형 블레이드 구조를 갖는 수력발전 시스템에 적용되는 것으로, 수력발전을 통해 전력을 생산하는 발전장치 및 상기 발전장치의 설계 조건과 수중 설치 조건 등에 기반하여 향후 생산 가능한 예측 발전량을 추정하는 산출장치를 포함할 수 있다.The system of the present invention is applied to a hydroelectric power generation system having a partially-receivable blade structure, and the predicted power generation amount that can be produced in the future is calculated based on the design conditions and underwater installation conditions of the power generation device and the power generation device that generate power through hydropower generation. It may include a calculating device to estimate.

상기 발전장치는 유수의 흐름방향에 대해 수평방향으로 회전 가능하도록 설치되는 수직축의 외주연에 방사형으로 복수의 블레이드가 배치되고, 수중에서 상기 블레이드의 일부가 일정 깊이로 잠기도록 구성되는 수차를 포함할 수 있다.The power generation device includes a plurality of blades radially disposed on an outer periphery of a vertical axis installed to be rotatable in a horizontal direction with respect to the flow direction of flowing water, and a water wheel configured to submerge a part of the blades to a predetermined depth in water. I can.

그리고 상기 발전장치는 상기 수차에 물리적으로 연결되어 수차에서 발생하는 회전력을 전달받고 이러한 회전력을 통해 전력을 생산하는 발전기와, 상기 발전기에서 생산되는 전력을 가공 및 저장하기 위한 저장부를 더 포함할 수 있다.In addition, the power generation device may further include a generator that is physically connected to the aberration to receive a rotational force generated from the aberration and generates power through the rotational force, and a storage unit for processing and storing the electric power produced by the generator. .

여기서 상기 수차는 상기 블레이드를 상기 수직축의 축방향을 따라 장착되게 하여 수직축과 블레이드가 일체 연동되게 하는 허브와, 상기 허브의 회전력을 상기 발전기에 전달하기 위하여 일정한 감속비를 가지는 풀리(pulley) 등의 동력전달부재를 더 포함할 수 있다.Here, the aberration is a power such as a hub that allows the blade to be mounted along the axial direction of the vertical axis so that the vertical axis and the blade are integrally interlocked, and a pulley having a constant reduction ratio in order to transmit the rotational force of the hub to the generator. It may further include a transmission member.

상기 산출장치는 상기 수차의 설계 재원과 블레이드의 입수 깊이가 입력되는 설정부와 상기 수차에 근접하여 설치되어 유속을 계측하여 출력하는 센서부를 포함할 수 있다.The calculation device may include a setting unit for inputting a design resource of the aberration and an acquisition depth of the blade, and a sensor unit installed close to the aberration to measure and output a flow velocity.

상기 수차의 설계 재원은 수차의 직경 즉 상기 수직축의 중심에서 블레이드의 끝단까지의 거리, 블레이드의 단면폭과 길이, 상기 동력전달부재의 감속비 등을 포함할 수 있다.The design resources of the aberration may include a diameter of the aberration, that is, a distance from the center of the vertical axis to the end of the blade, a cross-sectional width and length of the blade, and a reduction ratio of the power transmission member.

그리고 상기 센서부는 수중에서 상기 블레이드와 인접한 위치에 설치되어 블레이드에 가해지는 접근 유속과, 수온, 수심, 수위 등을 계측하기 위한 것으로, 각각의 계측대상별 하나 이상의 센서모듈로 구성될 수 있다.In addition, the sensor unit is installed in a position adjacent to the blade in water to measure an approach flow velocity applied to the blade, water temperature, water depth, water level, etc., and may be configured with one or more sensor modules for each measurement object.

상기 산출장치는 상기 설정부에 입력된 입력 데이터와 상기 센서부에서 출력되는 센싱데이터를 기반으로 예측 발전량을 산출하게 된다.The calculation device calculates a predicted power generation amount based on input data input to the setting unit and sensing data output from the sensor unit.

또한 본 발명의 시스템은 상기 발전장치 및 산출장치에 유, 무선 통신망을 통해 접속되어 관리자의 설정 및 명령 등을 입력하거나, 상기 산출장치에서 산출 및 제공되는 정보 예를 들면, 발전장치의 실시간 발전 정보와 이상유무를 판단하기 이벤트 정보는 물론 상기 산출장치에서 산출되는 예측 발전량 등을 전달받고 이를 원격지에서 모니터링할 수 있는 관리자 단말을 더 포함할 수 있다. In addition, the system of the present invention is connected to the power generation device and the calculation device through a wired or wireless communication network to input administrator settings and commands, or information calculated and provided by the calculation device, for example, real-time power generation information of the power generation device. It may further include a manager terminal that receives event information for determining whether there is an abnormality, as well as a predicted generation amount calculated by the calculation device, and monitors it at a remote location.

도 1 내지 도 15는 본 발명의 시스템의 실험예에 따른 결과를 나타내는 도면이며, 도 16는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차원해석을 통해 얻은 독립무차원수 간의 관계식 산출을 나타내는 도면이다. 그리고 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 설계식과 실험 발전량의 비교 그래프이며, 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 설계식을 이용한 수차직경별 입수깊이 증가에 따른 발전량을 나타내는 그래프이다.1 to 15 are diagrams showing results according to an experimental example of the system of the present invention, and FIG. 16 is a diagram showing calculation of a relational expression between independent dimensionless numbers obtained through dimensional analysis according to an embodiment of the present invention. And FIG. 17 is a graph showing a comparison graph between a design formula and an experimental power generation amount according to an embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a graph showing a power generation amount according to an increase in the acquisition depth for each aberration diameter using the design formula according to an embodiment of the present invention.

한편 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 산출장치는 이하에서 설명하는 실험예들과 설계식을 통해 예측 발전량을 산출할 수 있다.Meanwhile, the calculation device according to an embodiment of the present invention may calculate a predicted power generation amount through experimental examples and design formulas described below.

먼저 상기 산출장치는 상사법칙에 근거한 수리모형실험 결과에 기반하여 설계식을 산정한 것으로써, 이때 상사법칙은 아래 수학식 1 내지 수학식 5를 통해 정의될 수 있다.First, the calculation device calculates a design equation based on the result of a mathematical model experiment based on the similarity law. In this case, the similarity law may be defined through Equations 1 to 5 below.

① 수차의 직경(L)과 블레이드 입수 깊이(d) 비는 아래 수학식 1에 의해 정의된다.① The ratio of the diameter (L) of the aberration and the depth of access to the blade (d) is defined by Equation 1 below.

Figure 112020028488871-pat00006
Figure 112020028488871-pat00006

② 각속도(

Figure 112020028488871-pat00007
)와 블레이드 입수 깊이(d)의 비는 아래 수학식 2에 의해 정의된다.② Angular velocity (
Figure 112020028488871-pat00007
) And the blade acquisition depth (d) is defined by Equation 2 below.

Figure 112020028488871-pat00008
Figure 112020028488871-pat00008

③ 유속(V)과 각속도(

Figure 112020028488871-pat00009
) 및 블레이드 입수 깊이(d)의 비는 아래 수학식 3에 의해 정의된다.③ Flow velocity (V) and angular velocity (
Figure 112020028488871-pat00009
) And the blade entry depth (d) are defined by Equation 3 below.

Figure 112020028488871-pat00010
Figure 112020028488871-pat00010

④ 원형(prototype)과 모형(model)의 동력비(P)는 아래 수학식 4에 의해 정의된다.④ The power ratio (P) of the prototype and the model is defined by Equation 4 below.

Figure 112020028488871-pat00011
Figure 112020028488871-pat00011

⑤ 원형과 모형의 토크비(T)는 아래 수학식 5에 의해 정의된다.⑤ The torque ratio (T) of the prototype and the model is defined by Equation 5 below.

Figure 112020028488871-pat00012
Figure 112020028488871-pat00012

그리고 상기 수리모형실험에 있어 원형의 실험 조건은 접근 유속이 4.05 ~ 7.47 m/s, 수차 직경이 11.94 ~ 26.67 m, 수차의 블레이드 입수 깊이가 1.39 ~ 3 m이며, 모형의 실험 조건은 상기 상사법칙에 근거하여 접근 유속이1.12 m/s, 수차 직경이 0.6 m, 수차의 블레이드 입수 깊이가 4.5 ~ 9.9 cm로 설정한다.And in the hydraulic model experiment, the experimental condition of the prototype is 4.05 ~ 7.47 m/s, the diameter of the aberration is 11.94 ~ 26.67 m, the depth of the blade is 1.39 ~ 3 m, and the experimental condition of the model is the similarity law. Based on this, the approach flow velocity is 1.12 m/s, the diameter of the aberration is 0.6 m, and the depth of entry of the blade of the aberration is set to 4.5 to 9.9 cm.

실험예 1Experimental Example 1

본 실험예는 접근 유속과 입수 깊이가 동일한 조건에서 블레이드의 개수가 4개, 8개, 12개일 경우 각각 적용된 수차의 분당 회전수가 어떠한 영향을 받는지 즉 블레이드 개수 변화에 따른 수차의 분당 회전수 변화를 살펴보기 위한 실험이다.In this experimental example, when the number of blades is 4, 8, or 12 in the same condition as the approach flow rate and the depth of entry, how the number of revolutions per minute of the applied aberration is affected, that is, the change in the number of revolutions per minute of the aberration according to the change in the number of blades. This is an experiment to look at.

먼저 본 실험예에 따르면 입수깊이가 6 cm, 유입유속이 1.12 m/s에서 평면형, 곡면형, 버킷형의 날개 개수를 변화시키며 분당 회전수와 발전량을 측정을 하였으며, 그 결과는 아래 표 1에 나타난 바와 같다.First, according to this experimental example, the number of blades of a flat, curved, and bucket type was changed at an inlet depth of 6 cm and an inflow flow rate of 1.12 m/s, and the number of revolutions per minute and power generation were measured, and the results are shown in Table 1 below. As shown.

Figure 112020028488871-pat00013
Figure 112020028488871-pat00013

앞서 설명한 수리모형실험에서 수차 제작 상의 한계로 평면형과 곡면형의 블레이드의 최대 개수는 12개, 버킷형은 8개로 수행되었다.In the above-described hydraulic model experiment, the maximum number of flat and curved blades was 12 and 8 for the bucket type due to the limitation in manufacturing aberrations.

도 1에 도시된 바와 같이 블레이드 개수가 늘어날수록 분당 회전수는 증가하는 경향을 보였으며, 특히 블레이드의 개수가 4개인 경우 블레이드를 수직축에 장착하기 위한 허브의 높이와 블레이드의 길이에 따라서 수차와 수면이 접촉하지 않는 시간이 발생하게 되어 효율이 현저히 저하됨을 알 수 있다.As shown in Fig. 1, as the number of blades increases, the number of revolutions per minute tends to increase. In particular, when the number of blades is 4, aberrations and water surface are determined according to the height of the hub and the length of the blade for mounting the blades on the vertical axis. It can be seen that this non-contact time occurs, and the efficiency is significantly lowered.

상기 블레이드가 입수하여 수면과 연직인 위치에서 입수 면적은 최대가 되며, 이때 전수압이 최대로 발생하게 되어 최대 각속도가 발생하게 한다. 따라서 블레이드의 개수가 많이 적용된 수차에서는 입수된 각각의 블레이드에 작용하는 전수압의 합이 최대가 되어 분당 회전수가 증가하게 된다. When the blade is received, the receiving area is maximized at a position perpendicular to the water surface, and at this time, the total water pressure is generated to the maximum, causing the maximum angular velocity to occur. Therefore, in the aberration in which a large number of blades is applied, the sum of the total hydraulic pressure acting on each of the obtained blades is maximized and the number of revolutions per minute increases.

이와 같은 결과는 상기 수차의 블레이드가 흐르는 유속에 의한 압력을 받는 면적으로 설명할 수 있다. 수차의 회전속도(각속도)는 일정하지 않고, 블레이드의 입수 각도에 따라 진동하게 되는 것이다.This result can be described as an area in which the blade of the aberration is subjected to pressure by the flow velocity. The rotational speed (angular speed) of the aberration is not constant, and it vibrates according to the angle of entry of the blade.

한편 상기와 같은 실험 조건에서 원형 수차의 블레이드 입수 깊이를 2 m라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 2의 변수들을 산출할 수 있게 된다.On the other hand, assuming that the blade acquisition depth of the circular aberration is 2 m under the above experimental conditions, the variables shown in Table 2 below can be calculated by the similarity rule.

도 2에 나타난 그래프는 20 m 직경을 갖는 원형의 수차일 경우 블레이드 개수 변화에 따른 추정 발전량을 도시한 것이다.The graph shown in FIG. 2 shows an estimated amount of power generation according to a change in the number of blades in the case of a circular aberration having a diameter of 20 m.

Figure 112020028488871-pat00014
Figure 112020028488871-pat00014

또한 상기와 같은 실험 조건에서 원형의 접근 유속을 5 m/s라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 3의 변수들을 산출할 수 있게 된다.In addition, assuming that the circular approach flow velocity is 5 m/s under the above experimental conditions, the variables shown in Table 3 below can be calculated by the similarity rule.

Figure 112020028488871-pat00015
Figure 112020028488871-pat00015

도 3에 나타난 그래프는 5m/s 유속 조건 하에서 원형의 수차일 경우 블레이드 개수 변화에 따른 추정 발전량을 도시한 것이다.The graph shown in FIG. 3 shows an estimated amount of power generation according to a change in the number of blades in the case of a circular aberration under a flow rate condition of 5 m/s.

실험예 2Experimental Example 2

본 실험예는 블레이드의 개수가 동일한 조건에서 블레이드의 입수 깊이가 변화하는 경우, 각각 적용된 수차의 분당 회전수가 어떠한 영향을 받는지 즉 블레이드의 입수 깊이 변화에 따른 수차의 분당 회전수 변화를 살펴보기 위한 실험이다.This experimental example is an experiment to examine how the number of revolutions per minute of each applied aberration is affected when the number of blades is changed in the same condition, that is, the number of revolutions per minute of aberrations according to the change in the inlet depth of the blades to be.

먼저 본 실험예에 따르면 수로 유형과 수차 형태를 일정하게 유지한 상태(버킷형/곡면형, 블레이드 개수 8개)에서 블레이드를 수직축에 장착하기 위한 허브의 높이를 44.6, 46.2, 48.2, 50.0 cm로 각각 변화시켜 상기 블레이드의 입수 깊이를 조정하였다.First, according to this experimental example, the height of the hub for mounting the blades on the vertical axis in the state that the channel type and the aberration type are kept constant (bucket type/curved type, number of blades 8) is 44.6, 46.2, 48.2, 50.0 cm. Each was varied to adjust the depth of entry of the blade.

이와 같은 실험 조건 하에서 분당 회전수와 발전량을 측정하였으며, 그 결과는 아래 표 4와, 도 4의 그래프에 나타난 바와 같다.The number of revolutions per minute and power generation were measured under these experimental conditions, and the results are shown in Table 4 below and the graph of FIG. 4.

Figure 112020028488871-pat00016
Figure 112020028488871-pat00016

상기와 같은 실험 조건에서 원형의 입수 깊이를 2 m라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 5의 변수들을 산출할 수 있게 된다.Assuming that the receiving depth of the circle is 2 m under the above experimental conditions, the variables shown in Table 5 below can be calculated by the similarity rule.

도 5에 나타난 그래프는 블레이드의 잎수 깊이 2 m에서 수차의 직경에 따른 원형 수차의 추정 발전량을 도시한 것이다.The graph shown in FIG. 5 shows the estimated power generation amount of circular aberration according to the diameter of the aberration at a blade depth of 2 m.

Figure 112020028488871-pat00017
Figure 112020028488871-pat00017

또한 상기와 같은 실험 조건에서 원형의 접근 유속을 5 m/s라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 6의 변수들을 산출할 수 있게 된다.In addition, assuming that the circular approach velocity is 5 m/s under the above experimental conditions, the variables shown in Table 6 below can be calculated by the similarity rule.

Figure 112020028488871-pat00018
Figure 112020028488871-pat00018

도 6에 나타난 그래프는 5 m/s 유속 조건 하에서 원형 수차의 블레이드 입수 깊이에 따른 추정 발전량을 도시한 것이다.The graph shown in FIG. 6 shows the estimated amount of power generation according to the blade entry depth of the circular aberration under the condition of 5 m/s flow rate.

실험예 3Experimental Example 3

본 실험예는 블레이드의 개수와 형태가 동일한 조건에서 수차와 발전기의 감속비가 변화하는 경우, 각각 적용된 수차의 분당 회전수가 어떠한 영향을 받는지 즉 감속비 변화에 따른 수차의 분당 회전수 변화를 살펴보기 위한 실험이다.This experimental example is an experiment to examine how the number of revolutions per minute of the applied aberration is affected when the reduction ratio of the aberration and the generator changes under the same condition as the number and shape of the blades, that is, the change in revolutions per minute of the aberration according to the change in the reduction ratio. to be.

본 실험예에 따르면 앞서 실험예에서 발전 효율이 좋은 것으로 나타난 곡면형태의 블레이드가 12개 설치된 조건 하에서 실시되었으며, 감속비가 1:3, 1:5인 두 폴리에 대해 수차의 허브 높이를 44.6, 46.2, 48.2, 50.0 cm로 각각 변화시켜 블레이드의 입수 깊이에 변화를 주면서 분당 회전수와 발전량을 측정하였다.According to this experimental example, it was carried out under the condition of installing 12 curved blades, which were shown to have good power generation efficiency in the previous experimental example, and the hub heights of the aberrations were 44.6 and 46.2 for two pulleys having a reduction ratio of 1:3 and 1:5. , 48.2 and 50.0 cm, respectively, and the number of revolutions per minute and power generation were measured while varying the depth of entry of the blade.

본 실험예의 결과는 아래 표 7과 같이 나타났으며, 도 7의 그래프에서는 표 7를 참조하여 감속비별 블레이드의 입수 깊이에 따른 분당 회전수 변화를 도시한 것이다.The results of this experimental example are shown in Table 7 below, and the graph of FIG. 7 shows the change in revolutions per minute according to the depth of entry of the blades for each reduction ratio with reference to Table 7.

Figure 112020028488871-pat00019
Figure 112020028488871-pat00019

상기와 같은 실험 조건에서 원형의 입수 깊이를 2 m라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 8의 변수들을 산출할 수 있게 된다.Assuming that the receiving depth of the circle is 2 m under the above experimental conditions, the variables shown in Table 8 below can be calculated by the similarity rule.

도 8에 나타난 그래프는 블레이드의 잎수 깊이 2 m에서 수차의 직경에 따른 원형 수차의 추정 발전량을 도시한 것이다.The graph shown in FIG. 8 shows the estimated power generation amount of circular aberration according to the diameter of the aberration at a blade depth of 2 m.

Figure 112020028488871-pat00020
Figure 112020028488871-pat00020

또한 상기와 같은 실험 조건에서 원형의 접근 유속을 5 m/s라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 9의 변수들을 산출할 수 있게 된다.In addition, assuming that the circular approach velocity is 5 m/s under the above experimental conditions, the variables shown in Table 9 below can be calculated according to the similarity rule.

Figure 112020028488871-pat00021
Figure 112020028488871-pat00021

그리고 도 9에 나타난 그래프는 5 m/s 유속 조건 하에서 원형 수차의 감속비별 블레이드 입수 깊이에 따른 추정 발전량을 도시한 것이다.And the graph shown in FIG. 9 shows the estimated power generation amount according to the blade access depth for each reduction ratio of the circular aberration under the condition of 5 m/s flow rate.

실험예 4Experimental Example 4

본 실험예는 블레이드의 개수와 형태가 동일한 조건에서 블레이드에 가해지게 되는 접근 유속이 변화하는 경우, 각각 적용된 수차의 분당 회전수가 어떠한 영향을 받는지 즉 유속 변화에 따른 수차의 분당 회전수 변화를 살펴보기 위한 실험이다.This experimental example looks at how the number of rotations per minute of each applied aberration is affected when the approach flow rate applied to the blades is changed under the same condition as the number and shape of the blades. It is an experiment for.

본 실험예에 따르면 앞서 실험예에서 발전 효율이 좋은 것으로 나타난 곡면형태의 블레이드가 12개 설치된 조건 하에서 실시되었으며, 수차의 허브 높이를 44.6, 46.2, 48.2, 50.0 cm로 각각 변화시켜 블레이드의 입수 깊이에 변화를 주면서 1.12, 0.9 m/s의 유속이 부여된 상태에서 분당 회전수와 발전량을 측정하였다.According to this experimental example, it was carried out under the condition of installing 12 curved blades that were shown to have good power generation efficiency in the previous experimental example, and the height of the hub of the aberration was changed to 44.6, 46.2, 48.2, and 50.0 cm, respectively, so that the intake depth of the blade was changed. While making changes, the number of revolutions per minute and power generation were measured with flow rates of 1.12 and 0.9 m/s.

본 실험예의 결과는 아래 표 10과 같이 나타났으며, 도 10의 그래프에서는 표 10를 참조하여 각 유속 조건별 블레이드의 입수 깊이에 따른 분당 회전수 변화를 도시한 것이다.The results of this experimental example are shown in Table 10 below, and in the graph of FIG. 10, the change in revolutions per minute according to the depth of entry of the blade for each flow rate condition is shown with reference to Table 10.

Figure 112020028488871-pat00022
Figure 112020028488871-pat00022

상기와 같은 실험 조건에서 원형의 입수 깊이를 2 m라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 11의 변수들을 산출할 수 있게 된다.Assuming that the water depth of the circle is 2 m under the above experimental conditions, the variables shown in Table 11 below can be calculated according to the similarity rule.

도 11에 나타난 그래프는 블레이드의 잎수 깊이 2 m에서 수차의 직경별 접근 유속에 따른 원형 수차의 추정 발전량을 도시한 것이다.The graph shown in FIG. 11 shows the estimated power generation amount of the circular aberration according to the approach velocity for each diameter of the aberration at a blade depth of 2 m.

Figure 112020028488871-pat00023
Figure 112020028488871-pat00023

또한 상기와 같은 실험 조건에서 원형의 접근 유속을 5 m/s라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 12의 변수들을 산출할 수 있게 된다.In addition, assuming that the circular approach velocity is 5 m/s under the above experimental conditions, the variables shown in Table 12 below can be calculated by the similarity rule.

Figure 112020028488871-pat00024
Figure 112020028488871-pat00024

그리고 도 12에 나타난 그래프는 5 m/s 유속 조건 하에서 원형 수차의 직경별 블레이드의 입수 깊이에 따른 추정 발전량 변화를 도시한 것이다.In addition, the graph shown in FIG. 12 shows the change in the estimated amount of power generation according to the depth of entry of the blades for each diameter of the circular aberration under the condition of a 5 m/s flow rate.

실험예 5Experimental Example 5

본 실험예는 블레이드의 개수와 형태가 동일한 조건에서 수차에 부여되는 무게가 변화하는 경우, 각각 적용된 수차의 분당 회전수가 어떠한 영향을 받는지 즉 무게 변화에 따른 수차의 분당 회전수 변화를 살펴보기 위한 실험이다.This experimental example is an experiment to see how the number of revolutions per minute of each applied aberration is affected when the weight applied to the aberration is changed under the same condition as the number and shape of the blades, that is, the change in the number of revolutions per minute of the aberration according to the weight change. to be.

본 실험예에 따르면 앞서 실험예에서 발전 효율이 좋은 것으로 나타난 곡면형태의 블레이드가 12개 설치된 조건 하에서 실시되었으며, 0.9 m/s의 유속이 부여된 상태에서 수차에 무게 1.6 kg을 추가하여 블레이드의 입수 깊이별 분당 회전수와 발전량을 측정하였다.According to this experimental example, it was carried out under the condition of installing 12 curved blades that were shown to have good power generation efficiency in the previous experimental example, and the blade was obtained by adding 1.6 kg of weight to the aberration while a flow rate of 0.9 m/s was applied. The number of revolutions per minute and power generation per depth were measured.

본 실험예의 결과는 아래 표 13과 같이 나타났으며, 도 13의 그래프에서는 표 13를 참조하여 무게별 블레이드의 입수 깊이에 따른 분당 회전수 변화를 도시한 것이다.The results of this experimental example are shown in Table 13 below, and in the graph of FIG. 13, the change in the number of revolutions per minute according to the receiving depth of the blade for each weight is shown with reference to Table 13.

Figure 112020028488871-pat00025
Figure 112020028488871-pat00025

상기와 같은 실험 조건에서 원형의 입수 깊이를 2 m라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 14의 변수들을 산출할 수 있게 된다.Assuming that the depth of acquisition of the circle is 2 m under the above experimental conditions, the variables shown in Table 14 can be calculated according to the similarity rule.

도 14에 나타난 그래프는 블레이드의 잎수 깊이 2 m에서 수차의 무게별 직경과 원형 수차의 추정 발전량의 관계를 도시한 것이다.The graph shown in FIG. 14 shows the relationship between the diameter of the aberration by weight and the estimated power generation amount of the circular aberration at a blade depth of 2 m.

Figure 112020028488871-pat00026
Figure 112020028488871-pat00026

또한 상기와 같은 실험 조건에서 원형의 접근 유속을 5 m/s라고 가정하면 상기 상사법칙에 의해 이하 표 15의 변수들을 산출할 수 있게 된다.In addition, assuming that the circular approach velocity is 5 m/s under the above experimental conditions, the variables shown in Table 15 below can be calculated according to the similarity rule.

Figure 112020028488871-pat00027
Figure 112020028488871-pat00027

그리고 도 15에 나타난 그래프는 5 m/s 유속 조건 하에서 원형 수차의 무게별 블레이드의 입수 깊이와 추정 발전량의 변화를 도시한 것이다.In addition, the graph shown in FIG. 15 shows the change in the intake depth of the blade and the estimated power generation amount for each weight of the circular aberration under the condition of a 5 m/s flow rate.

설계식의 산정Calculation of the design formula

하천 등에서 부분 입수형 블레이드 구조를 갖는 수력 발전의 함수는 아래 수학식 6에 나타난 바와 같이 대표적인 물리량이 동수역학적 관계를 가지고 있으며, 이때 수력 발전에 필요한 총 물리량은 6개이고, 기본차원수는 3개를 가질 수 있다.The function of hydroelectric power generation having a partially ingested blade structure in a river, etc., has a representative physical quantity having a hydrodynamic relationship as shown in Equation 6 below, and at this time, the total physical quantity required for hydroelectric power generation is 6, and the basic dimension number is 3. Can have.

Figure 112020028488871-pat00028
Figure 112020028488871-pat00028

여기서, P : 발전량[W]Where, P: power generation [W]

V : 접근 유속[m/s]V: Approach flow velocity [m/s]

D : 수차 직경[m]D: diameter of aberration [m]

d : 입수 깊이[m]d: depth of ingestion [m]

Figure 112020028488871-pat00029
: 각속도[rpm]
Figure 112020028488871-pat00029
: Angular speed [rpm]

상기 수학식 6에서 반복변수는, D,

Figure 112020028488871-pat00030
,
Figure 112020028488871-pat00031
를 선택하였고, 종속변수는 P, V, d로 선택하여 주어진 물리량의 함수 관계는 아래의 수학식 7과 같이 무차원수의 함수로 나타내었다. In Equation 6, the repeating variable is D,
Figure 112020028488871-pat00030
,
Figure 112020028488871-pat00031
Was selected, and the dependent variables were selected as P, V, and d, and the functional relationship of the given physical quantity was expressed as a function of a dimensionless number as shown in Equation 7 below.

Figure 112020028488871-pat00032
Figure 112020028488871-pat00032

도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 차원해석을 통해 얻은 독립무차원수 간의 관계식 산출을 나타내는 도면으로, 'Buckingham Pi theorem(버킹엄 파이 정리)를 이용한 차원해석을 통해 얻은 무차원수는 각각의 상관성을 나타내며, 실험을 통해 얻은 값들을 활용하여 회귀분석을 수행하면 각 무차원수의 관계를 실험식으로 얻을 수 있다. FIG. 16 is a diagram showing the calculation of a relational expression between independent non-dimensional numbers obtained through dimensional analysis according to an embodiment of the present invention. The non-dimensional numbers obtained through dimensional analysis using'Buckingham Pi theorem (Buckingham Pi theorem) The relationship between each dimensionless number can be obtained as an empirical formula by performing regression analysis using the values obtained through the experiment.

즉 도 16의 회귀분석에서 각 독립무차원수의 상관성이 나타나며, 이는 아래 수학식 8 및 수학식 9를 유도할 수 있게 된다.That is, the correlation of each independent dimensionless number appears in the regression analysis of FIG. 16, which can lead to Equations 8 and 9 below.

먼저 도 16(a)에서 수리모형 결과를 이용한 회귀분석에서 V, D, d,

Figure 112020028488871-pat00033
의 관계는 수학식 8과 같이 도출될 수 있다.First, in the regression analysis using the results of the mathematical model in Fig. 16(a), V, D, d,
Figure 112020028488871-pat00033
The relationship of can be derived as in Equation 8.

Figure 112020028488871-pat00034
Figure 112020028488871-pat00034

그리고 도 16(b)에서 수리모형 결과를 이용한 회귀분석에서 P, D, d,

Figure 112020028488871-pat00035
의 관계는 수학식 9와 같이 도출될 수 있다.And in the regression analysis using the results of the mathematical model in Fig. 16(b), P, D, d,
Figure 112020028488871-pat00035
The relationship of can be derived as in Equation 9.

Figure 112020028488871-pat00036
Figure 112020028488871-pat00036

상기와 같이 수리모형실험을 통해 산출된 각 독립무차원수 간의 관계식을 통해 발전량을 추정하기 위한 설계식을 구할 수 있다. As described above, a design equation for estimating power generation can be obtained through the relational equation between each independent dimensionless number calculated through the mathematical model experiment.

구체적으로 수차의 발전량 P를 산출하기 위한 설계 변수는 접근 유속, 블레이드의 입수 깊이, 수차 전체의 직경이므로, 설계식의 좌변을 발전량 P로, 우변을 V, D, d로 정리한다.Specifically, the design variables for calculating the power generation amount P of the aberration are the approach flow velocity, the depth of access to the blade, and the diameter of the entire aberration, so the left side of the design equation is the power generation amount P, and the right side is summarized as V, D, and d.

상기 수학식 8의 독립변수가 포함된 무차원수

Figure 112020028488871-pat00037
Figure 112020028488871-pat00038
의 관계를 이용하여 수리모형실험 결과를 이용하여 아래 수학식 10과 같은 각속도 산정식을 유도할 수 있다.Non-dimensional number including the independent variable of Equation 8
Figure 112020028488871-pat00037
Wow
Figure 112020028488871-pat00038
The angular velocity calculation equation as shown in Equation 10 below can be derived using the result of the mathematical model experiment by using the relationship of.

Figure 112020028488871-pat00039
Figure 112020028488871-pat00039

또한 상기 수학식 9의 독립변수가 포함된 다른 무차원수인

Figure 112020028488871-pat00040
Figure 112020028488871-pat00041
의 관계로부터 아래 수학식 11과 같이 발전량 추정식을 유도할 수 있다.In addition, another non-dimensional number containing the independent variable of Equation 9
Figure 112020028488871-pat00040
Wow
Figure 112020028488871-pat00041
From the relationship of, it is possible to derive the power generation estimation equation as shown in Equation 11 below.

Figure 112020028488871-pat00042
Figure 112020028488871-pat00042

상기 수학식 11에 앞서 수학식 10에서 계산된 각속도

Figure 112020028488871-pat00043
를 대입하면 발전량 P를 추정하기 위한 설계식을 산정할 수 있는 바, 그 설계식은 아래 수학식 12와 같다.Angular velocity calculated in Equation 10 prior to Equation 11
Figure 112020028488871-pat00043
Substituting for, the design formula for estimating the power generation P can be calculated, and the design formula is shown in Equation 12 below.

Figure 112020028488871-pat00044
Figure 112020028488871-pat00044

그러나 수리모형실험에서 사용된 수차의 폭이 0.05 m이기 때문에, 이를 단위폭당 발전량(수차 1 m 폭의 발전량)으로 환산하면 아래의 수학식 13과 같다.However, since the width of the aberration used in the mathematical model experiment is 0.05 m, this can be converted into the amount of power generation per unit width (the amount of power generation of the aberration 1 m width) as shown in Equation 13 below.

Figure 112020028488871-pat00045
Figure 112020028488871-pat00045

이와 같은 수학식 13을 일반화하여 다양한 수차의 폭을 고려할 수 있는 발전량 추정식으로 정리하면 아래 수학식 14와 같다.If Equation 13 is generalized and summarized into an equation for estimating the amount of power generation that can take into account the width of various aberrations, Equation 14 is given below.

Figure 112020028488871-pat00046
Figure 112020028488871-pat00046

여기서, P : 발전량[W]Where, P: power generation [W]

C0 : 수차발전상수; 단, C0=8.893×10-7 C 0 : Water turbine power generation constant; However, C 0 =8.893×10 -7

Cd : 수차직경·수심비에 대한 발전량 보정계수; C d : Power generation correction factor for aberration diameter and depth ratio;

단,

Figure 112020028488871-pat00047
only,
Figure 112020028488871-pat00047

Figure 112020028488871-pat00048
: 물의 밀도; 단, 20℃ 상태에서의 물의 밀도
Figure 112020028488871-pat00049
Figure 112020028488871-pat00048
: Density of water; However, the density of water at 20℃
Figure 112020028488871-pat00049

V : 접근 유속[m/s]V: Approach flow velocity [m/s]

D : 수차 직경[m]D: diameter of aberration [m]

d : 입수 깊이[m]d: depth of ingestion [m]

b : 블레이드의 폭[m]b: blade width [m]

Ad : 블레이드의 입수면적 [㎡]; 단, Ad=bdA d : the receiving area of the blade [㎡]; However, A d =bd

뿐만 아니라 상기 수학식 14의 수차 발전량 추정식을 이용하여 연간 발전량 또는 월간 발전량 추정식을 도출할 수 있는 바, 도출된 연간 발전량 또는 월간 발전량 추정식은 아래 수학식 15와 같다. In addition, the annual generation amount or monthly generation amount estimation equation can be derived by using the aberration power generation amount estimating equation of Equation 14, and the derived annual generation amount or monthly generation amount estimation equation is shown in Equation 15 below.

Figure 112020028488871-pat00050
Figure 112020028488871-pat00050

여기서, W : 예측 발전량(월간 발전량 산정의 경우 Wh/월, 연간 발전량 산정의 경우 Wh/년)Here, W: Estimated power generation (Wh/month for monthly power generation calculation, Wh/year for annual power generation calculation)

CH : 발전월수 산정상수;C H : Calculation constant for development months;

단, 월간 발전량 산정의 경우 CH = 1/Hm(여기서, Hm : 발전월수[월])However, in the case of monthly power generation calculation, C H = 1/H m (here, H m : power generation month [month])

연간 발전량 산정의 경우 CH = 1/Hy(여기서, Hy : 발전년수[년])In the case of annual power generation calculation, C H = 1/H y (here, H y : development years [years])

Hh : 일평균발전시간[hr]H h : Daily average power generation time [hr]

Hd : 1년 동안의 총 발전일수[일]H d : Total development days in one year [days]

단, 월간 발전량 산정 시, 30일 동안 수력발전을 할 경우, Hd = 30일However, when calculating monthly power generation, if hydroelectric power is performed for 30 days, H d = 30 days

연간 발전량 산정 시, 1년(12개월) 동안 수력발전을 할 경우, Hd = 365일When calculating the annual power generation, H d = 365 days in case of hydroelectric power generation for one year (12 months)

설계식의 검증Verification of design formula

상술한 바와 같이 산정된 설계식의 검증을 위해 상기 실험예에서 활용된 1:5의 감속비를 갖는 곡면형 수차(블레이드 개수 12개)의 발전량과 상기 설계식을 통해 산정된 발전량을 비교하였다. In order to verify the design formula calculated as described above, the power generation amount of the curved aberration (12 blades) having a reduction ratio of 1:5 used in the experimental example was compared with the power generation amount calculated through the design formula.

또한 실험의 상사법칙을 통해 알 수 있는 발전량을 포함하여 총 21가지 case에 대해 분석하였다. 도 17에 도시된 바와 같이 발전량의 추정치는 R2는 0.9882로 매우 높은 상관성을 보이며 발전량을 모의할 수 있다. 그러나 추정치가 과대 산정되는 경향이 있으므로 충분한 효율계수를 고려하여야 한다.In addition, a total of 21 cases were analyzed including the amount of power generation that can be known through the similarity law of the experiment. As shown in FIG. 17, the estimated amount of power generation R 2 is 0.9882, showing a very high correlation, and the power generation amount can be simulated. However, since estimates tend to be overestimated, sufficient efficiency factors must be considered.

도 18은 감속비 1:5가 적용된 직경 20 m, 30 m인 수차의 입수 깊이(d)에 따른 발전량 추정결과를 나타낸 그래프로, 1년(365일)동안 24시간 발전한다고 가정하고, 별도의 유속증가장치를 활용하여 수차의 접근유속(V)을 항상 3.0 m/s 유동조건으로 유지한다고 가정하였을 때, 도 18과 같이 수학식 13을 이용하여 수력 발전량을 추정하였다. FIG. 18 is a graph showing the result of estimating the amount of power generation according to the depth (d) of the aberration of 20 m and 30 m in diameter to which a reduction ratio of 1:5 is applied. Assuming that the approaching flow velocity (V) of the aberration is always maintained at a flow condition of 3.0 m/s using the increasing device, the amount of hydroelectric power generation was estimated using Equation 13 as shown in FIG. 18.

그리고 도 18은 입수 깊이와 수차 직경의 d/D 비 가 0.1일 때부터 수차가 회전한다고 가정하였고, 감속비 1:5가 적용된 직경 20 m, 30 m인 수차의 입수 깊이 d에 따른 연간 발전량 추정결과로, 이에 따르면, 최대 입수깊이 5 m 조건에서 30 m 직경의 수차는 상기 수학식 14를 이용하여 연간 발전량이 약 52 GWh의 전력을 생산할 수 있는 것으로 나타났다. And Figure 18 assumes that the aberration rotates from when the d/D ratio of the intake depth and the aberration diameter is 0.1, and the annual power generation amount estimation result according to the intake depth d of the aberration of 20 m and 30 m in diameter to which a reduction ratio of 1:5 is applied According to this, it was found that the aberration of 30 m diameter under the condition of the maximum water supply depth of 5 m can produce about 52 GWh of electric power per year using Equation 14 above.

또한 상기 수학식 14를 이용하여 월평균 발전량으로 환산하면 약 4,375,581 kWh/월의 전력을 생산할 수 있으므로, 이는 35 kWh/월의 월간소비전력량을 가지고 있는 일반 가정용 냉장고 약 12만대를 가동할 수 있는 전력량에 해당한다.In addition, when converted to the monthly average power generation using Equation 14, about 4,375,581 kWh/month of electricity can be produced, which is equivalent to the amount of electricity that can run about 120,000 general household refrigerators having a monthly electricity consumption of 35 kWh/month. It corresponds.

도 18의 결과에서 나타난 바와 같이 수차의 전체 직경이 블레이드의 입수 깊이가 4 m이상 유지된다면, 수차직경 30 m 수차보다 수차직경 20 m 수차의 전력생산량이 훨씬 크게 증가하는 것을 확인할 수 있으나, 입수 깊이 조건이 4 m 이하의 경우에는 수차직경 30 m 수차가 보다 더 일정하고 안정적인 수력발전이 가능한 것으로 확인할 수 있다.As shown in the results of Fig. 18, if the total diameter of the aberration is maintained at 4 m or more of the depth of entry of the blade, it can be confirmed that the power production of the aberration diameter of 20 m aberration increases significantly more than the 30 m aberration diameter, but the acquisition depth If the condition is less than 4 m, it can be confirmed that a more constant and stable hydroelectric power generation is possible with a 30 m aberration diameter.

통상의 풍력발전의 경우 20℃ 상태에서 공기의 밀도(

Figure 112020028488871-pat00051
)가 1.2 kg/m3이나 물의 밀도(
Figure 112020028488871-pat00052
)는 998 kg/m3으로써 831.6배이다. 따라서 풍력발전은 수력발전에 비해 블레이드 전면 면적에 공기의 전압력이 작용해야 하지만 수력의 경우 수차의 블레이드 작용면이 작아도 동일한 전압력이 작용하게 되는 바, 발전 효과가 동일함을 알 수 있다. In the case of ordinary wind power generation, the density of air at 20℃ (
Figure 112020028488871-pat00051
) Is 1.2 kg/m 3 but the density of water (
Figure 112020028488871-pat00052
) Is 998 kg/m 3, which is 831.6 times. Therefore, in wind power generation, compared to hydroelectric power generation, the voltage force of air must act on the front surface area of the blade, but in the case of hydropower, the same voltage force acts even if the blade action surface of the aberration is small, and it can be seen that the power generation effect is the same.

다시 말해, 블레이드 전체 면적이 유체에 완전히 잠긴 상태에서 작용하는 수직축 완전 입수형 프로펠러 풍력발전기 또는 조류터빈 발전으로 얻을 수 있는 전력(한국과학기술정보연구원, 2015; 임진영, 2011)은 아래의 수학식 16과 같다.In other words, the power that can be obtained from the vertical axis fully ingested propeller wind turbine or tidal current turbine power operating in a state where the entire blade area is completely immersed in the fluid (Korea Institute of Science and Technology Information, 2015; Jinyoung Lim, 2011) is Equation 16 below. Same as

Figure 112020028488871-pat00053
Figure 112020028488871-pat00053

여기서, At : 블레이드의 회전면적[m2]Here, A t : rotation area of the blade[m 2 ]

V : 블레이드에 대한 풍속 또는 유수의 유속[m/s]V: Wind speed or flow velocity of running water to the blade [m/s]

Figure 112020028488871-pat00054
: 공기 밀도 또는 물의 밀도[kg/m3]
Figure 112020028488871-pat00054
: Air density or water density [kg/m 3 ]

Cp : 발전기의 동력계수 C p : Power factor of the generator

단, 풍속에 지배되면, Cpmax는 최대 0.593(Bergey, 1980)이며, Betz limit이라 한다. 따라서 보통 0.35 ~ 0.45의 범위를 갖는다.However, when dominated by wind speed, C pmax is 0.593 (Bergey, 1980) at the maximum, and is called the Betz limit. Therefore, it usually ranges from 0.35 to 0.45.

그러나 본 발명의 시스템에서와 같이 부분 입수형 블레이드 구조를 갖는 수력 발전의 경우는 대부분의 블레이드가 공기 중에 노출되어 있지만 블레이드의 일부가 하천 등 수중에 입수되어 블레이드 입수 깊이와 전체 블레이드 깊이 비에 의한 물의 전수압에 의해 회전 토크량이 발생하여 효과적으로 전력량을 아래의 수학식 14와 같이 생산할 수 있게 된다.However, in the case of hydroelectric power generation having a partially-receiving blade structure as in the system of the present invention, most of the blades are exposed to the air, but a part of the blades is obtained underwater, such as a river, so that the water due to the ratio of the blade intake depth to the total blade depth The amount of rotational torque is generated by the total water pressure, so that the amount of power can be effectively produced as shown in Equation 14 below.

따라서 부분 입수형 블레이드 구조를 갖는 본 발명의 시스템에서는 수차의 직경에 대한 블레이드의 입수깊이 비 'd/D'가 매우 중요한 변수임을 확인할 수 있는 것이다.Therefore, in the system of the present invention having a partially-receiving blade structure, it can be confirmed that the ratio'd/D' of the inlet depth of the blade to the diameter of the aberration is a very important variable.

뿐만 아니라, 상기 실험예들을 통해 블레이드의 형상은 버킷형보다 곡면형이 발전량에 있어 동일하거나 다소 향상됨을 알 수 있으며, 동일 개수의 블레이드 설치 시에 공간적으로 제약이 될 수 있는 버킷형 블레이드보다 상대적으로 곡면형 블레이드의 설치가 유리하고 제작이 용이하므로 본 발명의 일 실시 예에 따른 수차의 블레이드는 물이 흐르는 방향과 대향하는 일면에 골이 형성되는 곡면형으로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, through the above experimental examples, it can be seen that the shape of the blade is the same or slightly improved in the amount of power generation in the curved type than in the bucket type, and is relatively more than the bucket type blade, which may be limited spatially when the same number of blades are installed. Since the installation of the curved blade is advantageous and easy to manufacture, the blade of the aberration according to an embodiment of the present invention is preferably configured in a curved shape in which a valley is formed on one surface opposite to the direction in which water flows.

또한 앞서 실험예의 검증 결과에서와 같이 블레이드의 입수 깊이가 4 m이하인 경우는 수차 직경이 비교적 큰 30 m 수차가 필요하지만, 블레이드의 입수 깊이가 4 m 이상의 경우에는 수자 직경이 작은 20 m 수차로도 직경 30 m 수차보다 오히려 더 큰 전력이 생산되는 것이 확인되었으며, 하천유황에 따라 유지할 수 있는 수심이 평수기와 풍수기에 따라 연간 변화의 폭이 크기 때문에 본 발명의 시스템에서는 수차의 직경과 블레이드의 입수 깊이를 가변으로 조정할 수 있는 조정수단이 마련되는 것이 바람직하다.In addition, as in the verification results of the previous experimental example, when the inlet depth of the blade is 4 m or less, a 30 m aberration with a relatively large aberration diameter is required, but when the inlet depth of the blade is 4 m or more, a 20 m aberration with a small number diameter is also required. It was confirmed that a larger electric power is produced than a 30 m diameter aberration, and since the depth of water that can be maintained according to the river sulfur has a large annual variation depending on the normal and wind season, in the system of the present invention, the diameter of the aberration and the depth of the blade It is preferable that an adjustment means capable of variably adjusting the is provided.

예를 들면, 상기 수차는 수면과 상기 허브 간의 이격 거리를 가변시켜 상기 블레이드의 입수 깊이를 조정하는 제 1가변수단과, 상기 허브로부터 블레이드의 길이를 가변시켜 수차의 전체 직경을 조정하는 제 2가변수단을 더 포함하고, 하천유황에 능동적으로 수차의 외형을 가변시킴으로써 최적의 발전 환경을 제공하여 이를 통해 수력발전 효율을 보다 향상시키도록 할 수 있다.For example, the aberration is a first variable stage for adjusting the depth of access of the blade by varying the distance between the water surface and the hub, and a second variable stage for adjusting the total diameter of the aberration by varying the length of the blade from the hub. By further including means, and by actively varying the appearance of the aberrations in the river sulfur, the optimum power generation environment can be provided, thereby further improving the hydroelectric power generation efficiency.

즉, 하천 수심이 4 m 이하가 유지되는 비교적 평수량에 해당하는 하천 수심에서는 수차의 블레이드를 확장시켜 대형 직경을 갖도록 하여 수력발전을 수행한다. 이는 상대적으로 블레이드의 입수 깊이가 작기 때문에 블레이드에 작용하는 전수압이 비교적 작지만 수차의 회전 반경이 커져 전체 토크량이 크기 때문에 발전량을 증가시킬 수 있다. 하지만 4 m 이상의 수심에서는 발전량의 회전 반경보다는 블레이드의 입수 깊이가 커짐으로써 증가되는 전압력이 더 크게 지배적으로 작용하여 수차의 발전량을 더 크게 얻을 수 있는 것이다.That is, in the river depth corresponding to the relatively flat water in which the river depth is kept below 4 m, the blades of the aberration are expanded to have a large diameter to perform hydroelectric power generation. This is because the total water pressure acting on the blade is relatively small because the depth of penetration of the blade is relatively small, but the rotation radius of the aberration is increased and the total torque amount is large, so that the amount of power generation can be increased. However, at a depth of 4 m or more, the increased voltage force acts more predominantly as the depth of penetration of the blade becomes larger than the turning radius of the power generation amount, and thus the power generation amount of the aberration can be obtained larger.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제 1가변수단 및 제 2가변수단의 가변 작동을 전기적인 신호에 의해 자동으로 구현되게 하는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, it is preferable to automatically implement the variable operation of the first variable stage and the second variable stage by an electric signal.

이를 위해 제 1가변수단 및 제 2가변수단은 각각 전동기기가 구비될 수 있으며, 상기 발전장치는 상기 제 1가변수단 및 제 2가변수단의 전동기기의 작동을 제어하기 위한 제어신호를 생성 및 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.To this end, the first variable stage and the second variable stage may each be provided with a motor, and the power generation device generates and outputs a control signal for controlling the operation of the electric device of the first variable stage and the second variable stage. It may include a control unit.

특히 상기 발전장치의 제어부는 상기 산출장치에서 산출되는 예측 발전량 정보나 상기 센서부에서 계측되는 수심정보 등을 전달받고 이를 기반으로 상기 제 1가변수단 또는 제 2가변수단의 가변 작동을 선택적으로 제어할 수도 있다.In particular, the control unit of the power generation device receives information on the predicted generation amount calculated by the calculation device or depth information measured by the sensor unit, and selectively controls the variable operation of the first variable stage or the second variable stage based on this. May be.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of rights of

Claims (6)

부분 입수형 블레이드 구조를 갖는 수력발전 시스템에 있어서,
유수의 흐름방향에 대해 수평방향으로 회전 가능하도록 설치되는 수직축의 외주연에 방사형으로 복수의 블레이드가 배치되고 수중에서 상기 블레이드의 일부가 일정 깊이로 잠기도록 구성되는 수차를 포함하는 발전장치; 및
상기 수차의 설계 재원과 블레이드의 입수 깊이가 입력되는 설정부와 상기 수차에 인접하여 설치되고 유속을 계측하여 출력하는 센서부를 포함하며, 상기 설정부에 입력된 데이터와 상기 센서부에서 출력되는 데이터를 기반으로 기 정의된 아래의 [수학식 1]을 통해 예측 발전량을 산출하는 산출장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템.
[수학식 1]
Figure 112020028488871-pat00055

여기서, (P : 발전량[W])
C0 : 수차발전상수; 단, C0=8.893×10-7
Cd : 수차직경·수심비에 대한 발전량 보정계수;
단,
Figure 112020028488871-pat00056

Figure 112020028488871-pat00057
: 물의 밀도; 단, 20℃ 상태에서의 물의 밀도
Figure 112020028488871-pat00058

V : 접근 유속[m/s]
D : 수차 직경[m]
d : 입수 깊이[m]
b : 블레이드의 폭[m]
Ad : 블레이드의 입수면적 [㎡]; (단, Ad=bd)
In the hydroelectric power generation system having a partially retractable blade structure,
A power generation device including a water wheel including a plurality of blades radially disposed on the outer periphery of a vertical axis installed to be rotatable in a horizontal direction with respect to the flow direction of flowing water, and configured to submerge a part of the blades to a predetermined depth in water; And
And a setting unit for inputting the design resources of the aberration and the depth of access of the blade, and a sensor unit installed adjacent to the aberration and measuring and outputting a flow velocity, and data input to the setting unit and data output from the sensor unit Hydroelectric power generation system of a partially ingested blade structure capable of predicting the amount of power generation comprising; a calculation device for calculating the predicted power generation amount through [Equation 1] below, which is predefined based on the following.
[Equation 1]
Figure 112020028488871-pat00055

Here, (P: power generation [W])
C 0 : Water turbine power generation constant; However, C 0 =8.893×10 -7
C d : Power generation correction factor for aberration diameter and depth ratio;
only,
Figure 112020028488871-pat00056

Figure 112020028488871-pat00057
: Density of water; However, the density of water at 20℃
Figure 112020028488871-pat00058

V: Approach flow velocity [m/s]
D: diameter of aberration [m]
d: depth of ingestion [m]
b: blade width [m]
A d : the receiving area of the blade [㎡]; (However, A d =bd)
제 1항에 있어서,
상기 산출장치는,
기정의된 아래의 [수학식 2]를 통해 연간 또는 월간 예측 발전량을 산출하는 것을 특징으로 하는 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템.
[수학식 2]
Figure 112020028488871-pat00059

여기서, (W : 예측 발전량(월간 발전량 산정의 경우 Wh/월, 연간 발전량 산정의 경우 Wh/년)
CH : 발전월수 산정상수;
단, 월간 발전량 산정의 경우 CH = 1/Hm(여기서, Hm : 발전월수[월])
연간 발전량 산정의 경우 CH = 1/Hy(여기서, Hy : 발전년수[년])
Hh : 일평균발전시간[hr]
Hd : 1년 동안의 총 발전일수[일]
(단, 월간 발전량 산정 시, 30일 동안 수력발전을 할 경우, Hd = 30일
연간 발전량 산정 시, 1년(12개월) 동안 수력발전을 할 경우, Hd = 365일)
The method of claim 1,
The calculation device,
Hydroelectric power generation system of partial intake blade structure capable of predicting power generation, characterized in that the annual or monthly predicted power generation amount is calculated through the predefined [Equation 2] below.
[Equation 2]
Figure 112020028488871-pat00059

Here, (W: Estimated power generation (Wh/month for monthly power generation calculation, Wh/year for annual power generation calculation)
C H : Calculation constant for development months;
However, in the case of monthly power generation calculation, C H = 1/H m (here, H m : power generation month [month])
In the case of annual power generation calculation, C H = 1/H y (here, H y : development years [years])
H h : Daily average power generation time [hr]
H d : Total development days in one year [days]
(However, when calculating monthly power generation, if hydroelectric power is performed for 30 days, H d = 30 days
When calculating annual power generation, in case of hydroelectric power generation for one year (12 months), H d = 365 days)
제 2항에 있어서,
상기 수차는,
상기 블레이드를 상기 수직축의 축방향을 따라 장착되게 하여 수직축과 블레이드가 일체 연동되게 하는 허브와, 수면과 상기 허브 간의 이격 거리를 가변시켜 상기 블레이드의 입수 깊이를 조정하는 제 1가변수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템.
The method of claim 2,
The aberration is,
The blade is mounted along the axial direction of the vertical axis, further comprising a hub for integrally interlocking the vertical axis with the blade, and a first variable end for adjusting the depth of the blade by varying the separation distance between the water surface and the hub Hydroelectric power generation system of a partial intake blade structure capable of predicting the amount of power generation, characterized in that.
제 3항에 있어서,
상기 수차는,
상기 허브로부터 블레이드의 길이를 가변시켜 수차의 전체 직경을 조정하는 제 2가변수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템.
The method of claim 3,
The aberration is,
Hydroelectric power generation system of a partially-receivable blade structure capable of predicting generation amount, characterized in that it further comprises a second variable stage for adjusting the total diameter of the aberration by varying the length of the blade from the hub.
제 4항에 있어서,
상기 발전장치는,
상기 산출장치에서 산출되는 예측 발전량 정보를 전달받고 이를 기반으로 상기 제 1가변수단 또는 제 2가변수단의 가변 작동을 선택적으로 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템.
The method of claim 4,
The power generation device,
Partially ingestible blade capable of predicting the amount of power generation, characterized in that it further comprises a control unit for receiving information on the predicted generation amount calculated by the calculation device and selectively controlling the variable operation of the first variable stage or the second variable stage based on this Structure of hydroelectric power system.
제 2항에 있어서,
상기 블레이드는,
물이 흐르는 방향과 대향하는 일면에 골이 형성되는 곡면형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발전량 예측이 가능한 부분 입수형 블레이드 구조의 수력발전 시스템.
The method of claim 2,
The blade,
Hydroelectric power generation system of a partially ingestible blade structure capable of predicting power generation, characterized in that it is configured in a curved shape in which a valley is formed on one surface opposite to the direction in which water flows.
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KR20050003976A (en) 2003-07-04 2005-01-12 손기택 Float type hydraulic power generator
KR20130026314A (en) * 2011-09-05 2013-03-13 오민환 The device of all in one velocity hydro power plant with variable speed nunner turbine
US20150008675A1 (en) * 2011-11-23 2015-01-08 John Herman Willingham Power generating floating vessel
KR101971579B1 (en) * 2017-11-20 2019-04-23 오민환 Turbine-generator for small hydropower plant

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050003976A (en) 2003-07-04 2005-01-12 손기택 Float type hydraulic power generator
KR20130026314A (en) * 2011-09-05 2013-03-13 오민환 The device of all in one velocity hydro power plant with variable speed nunner turbine
US20150008675A1 (en) * 2011-11-23 2015-01-08 John Herman Willingham Power generating floating vessel
KR101971579B1 (en) * 2017-11-20 2019-04-23 오민환 Turbine-generator for small hydropower plant

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