KR102396186B1 - 수중매입형 소수력 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메카니컬씰의 마모나 수차의 캐비테이션에 따른 진동에 의해 메카니컬씰하우징의 내부에 물이 침투할 경우 일정한 수위 이상으로 저수되지 않도록 하여 누전, 부식 및 윤활특성 저하 등에 의한 파손 및 고장의 우려를 원천적으로 방지할 수 있는 수중매입형 소수력 발전장치에 관한 것으로, 수중에 매입되어 설치되고, 유입구 및 유출구가 형성된 메인케이싱과, 상기 메인케이싱의 유출구에 결합되고, 복수의 베인이 설치된 베인케이싱과, 상기 베인케이싱의 하면에 결합된 수차케이싱과, 상기 메인케이싱의 내부에 설치되고, 회전축과 축결합된 로터 및 스테이터가 고정 설치된 발전기하우징과, 상기 베인케이싱과 동축으로 내경방향에 위치하도록 상기 발전기하우징의 하부에 결합되고, 상단에는 상기 회전축을 회전 지지하는 베어링이 결합되며, 하단에는 상기 회전축에 연결되어 함께 회전하면서 상기 회전축을 밀봉하는 메카니컬씰이 구비된 메카니컬씰하우징과, 상기 수차케이싱과 동축으로 내경방향에 위치하도록 상기 회전축의 하단에 결합되고, 상기 베인케이싱에 설치된 베인 각각으로부터 가이드된 물에 의해 회전하는 수차와, 상기 메카니컬씰하우징의 내부로 물이 유입되어 저수되는 경우 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물을 메카니컬씰하우징의 외부로 배출하는 배수부를 포함하여 이루어진다.

Description

수중매입형 소수력 발전장치{SUBMERGED TYPE SMALL HYDROELECTRIC POWER GENERATOR}
본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로 것으로, 보다 상세하게는 경관을 해치지 않으면서 소음을 최소화할 수 있도록 수중에 수직으로 매입하여 설치되고, 저낙차에도 고효율 및 가성비가 좋은 수중매입형 소수력 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치를 말한다. 발전기는 보통 몸체와, 상기 몸체에 회전되게 장착되어 외력에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축과 함께 회전하며 다수로 권선되어 있는 코일로 구성된 회전자와, 상기 회전자의 외측에 구비되며 상기 몸체의 내측에 고정 장착되는 자석으로 구성된 고정자를 포함한다.
상기 회전축이 외력에 의해 회전하면, 상기 회전축에 결합된 코일이 회전하면서 상기 자석에서 발생하는 자기장에 의해 상기 코일 내부에는 기전력을 통한 전류가 흐르게 된다. 이러한 발전기는 상기 회전축을 회전시키는 동력원에 따라 수력, 화력, 풍력 및 원자력 등으로 분류된다.
특히 수력에 의한 발전기는 주로 물의 낙차를 이용하여 상기 회전축을 회전시키는데, 이러한 회전축을 회전시키는 장치를 수차(turbine)라고 한다. 즉, 수차 발전기는 물의 낙차를 이용하여 수차를 통해 발전기의 회전축을 회전시켜 전력을 생산하는 장치이다.
이러한 수차 발전기는 크게 반동형과 충동형의 2가지로 분류할 수 있고, 반동형은 수차 전후 물의 압력 차이에서 에너지를 얻는 타입으로 수위 차이가 작지만 유량이 큰 조건에 적합하며, 프란시스형이나 프로펠러형 및 튜브형 등이 있다. 반면, 충동형은 물의 흐름의 운동에너지를 터빈에 충돌시켜 에너지를 얻는 타입으로 유량은 적지만 수위 차이가 큰 조건에 적합하며, 펠톤형이나 타고형 및 크로스 흐름형 등이 있다.
우리나라의 경우 충동형 수차보다는 반동형 수차가 대부분이며, 프란시스형에 비해 보다 낙차가 작은 소수력에 사용되는 프로펠러 수차의 경우 낙차나 부하에 따라 프로펠러를 가변형으로 만든 것을 카플란 수차라고 한다. 즉, 우리나라 전역 대부분에는 채산성에 맞게 수차 발전기가 설치되어 있는 현실이다.
최근에는 기후변화에 따른 환경정책의 문제로 인해 소수력 발전을 통하여 수력에너지를 더욱 확보하기 위해, 즉 산간 및 하천 지역의 소규모 댐에 저장된 물을 이용할 뿐만 아니라, 육상 양식장, 생활하수, 폐수처리장, 저수지, 보의 배수로, 건물의 배관 등으로부터도 수력에너지를 확보하고자 한다.
이때, 경관을 해치지 않으면서 소음을 최소화할 수 있도록 소수력 발전장치를 수중에 매입하여 설치하는 수중매입형 소수력 발전장치에 대한 연구가 최근 활발하게 이루어지고 있고, 상기 수차 발전기를 수중매입시 회전축이 수평으로 설치되는 수평식 발전기와 수직식 발전기로 나눌 수 있다.
예컨대, 수평식 발전기의 경우 등록특허공보 제10-1654899호의 '소수력 발전장치', 등록특허공보 제10-1622638호의 '소수력 발전 패키지 시스템' 및 등록특허공보 제10-1850367호의 '고효율 층류 레벨 제어가 가능한 소수력발전 시스템' 등이 있다. 이러한 수평식 발전기는 발전부와 수차부가 수평으로 수중에 매입되어 설치되기 때문에 시공 및 관리가 어렵고, 최대한 방수를 하더라도 내부로 물이 침투되기 쉬워 누전, 부식, 윤활특성 저하 등으로 인하여 파손 및 고장의 우려가 높은 단점이 있다.
반면에, 수직식 발전기의 경우 등록특허공보 제10-1663248호의 '수중 매입형 소수력 발전 장치' 및 등록특허공보 제10-2140490호의 '수중발전기의 내부상태를 확인할 수 있는 소수력 발전장치' 등이 있다. 이러한 수직식 발전기는 발전부와 수차부가 수직으로 수중에 매입되어 설치되기 때문에 수평식에 비하여 시공 및 관리가 쉽다는 장점이 있다. 그러나, 수직식 발전기 역시 최대한 방수를 하더라도 내부로 물이 침투되기 쉽다는 문제는 여전히 가진다.
즉, 발전부의 방수는 크게 문제가 없지만 수차부의 수차와 연결되는 회전축의 하단을 통하여 물이 유입되는데, 이를 방지하기 위해 메카니컬씰이 설치되더라도 메카니컬씰의 마모, 수차의 캐비테이션에 따른 진동에 의해 물이 쉽게 침투하게 되고, 메카니컬씰하우징에 저수되면서 누전, 부식, 윤활특성 저하 등에 의한 파손 및 고장의 우려는 여전히 문제가 된다.
다만, 종래 기술 중 상기 '수중발전기의 내부상태를 확인할 수 있는 소수력 발전장치'의 경우에는 다양한 종류의 센서를 갖는 측정기로 수중 발전기의 내부상태를 측정하고, 근거리 또는 원거리의 서버와 통신하여 점검여부를 확인하는 것일 뿐으로 메카니칼씰하우징의 내부에는 물이 저수되어 있는 상태이고, 메카니칼씰 및 회전축을 통해 침투되는 물은 여전히 해결하지 못하고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 메카니컬씰의 마모나 수차의 캐비테이션에 따른 진동에 의해 메카니컬씰하우징의 내부에 물이 침투할 경우 일정한 수위 이상으로 저수되지 않도록 하여 누전, 부식 및 윤활특성 저하 등에 의한 파손 및 고장의 우려를 원천적으로 방지할 수 있는 수중매입형 소수력 발전장치를 제공하는 데 있다.
또한, 물이 공급되는 유입관이 저낙차인 경우에도 메인케이싱의 유입구로부터 유출구까지 물의 흐름 및 속도를 점진적으로 상승시켜 발전효율을 극대화시킬 수 있고, 시공 및 관리를 보다 용이하게 할 수 있는 수중매입형 소수력 발전장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치는, 수중에 매입되어 설치되고, 일측면에 형성된 유입구를 통해 내부로 물이 유입되며, 하면에 형성된 유출구를 통해 내부로 유입된 물이 유출되는 메인케이싱과, 상광하협의 형상으로 상면이 상기 메인케이싱의 유출구에 동축상으로 연통되도록 결합되고, 내주면에 방사상으로 복수의 베인이 설치된 베인케이싱과, 원통 형상으로 상면이 상기 베인케이싱의 하면에 동축상으로 연통되도록 결합된 수차케이싱과, 상기 메인케이싱의 내부에 설치되고, 내부에 회전 가능하게 설치된 회전축과 축결합된 로터 및 상기 로터의 외경방향으로 스테이터가 고정 설치된 발전기하우징과, 상기 베인케이싱과 동축으로 내경방향에 위치하도록 상기 발전기하우징의 하부에 결합되고, 상단에는 상기 회전축을 회전 지지하는 베어링이 결합되며, 하단에는 상기 회전축에 연결되어 함께 회전하면서 상기 회전축을 밀봉하는 메카니컬씰이 구비된 메카니컬씰하우징과, 상기 수차케이싱과 동축으로 내경방향에 위치하도록 상기 회전축의 하단에 결합되고, 상기 베인케이싱에 설치된 베인 각각으로부터 가이드된 물에 의해 회전하는 수차와, 상기 메카니컬씰하우징의 내부로 물이 유입되어 저수되는 경우 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물을 메카니컬씰하우징의 외부로 배출하는 배수부를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 배수부는, 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 설치되고, 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물이 기설정된 수위에 도달하는지 여부를 감지하는 제1 수위감지센서와, 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 설치되고, 상기 제1 수위감지센서로부터 신호를 받아 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물을 펌핑하여 외부로 배출하는 배수펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인케이싱의 유입구로 물을 유입시키도록 연결 설치된 유입관과, 상기 수차케이싱의 하부에 연결 설치되어 물을 유출시키는 유출관과, 상기 유입관의 관로 상에 설치되고, 상기 유입관에 흐르는 물을 상기 메인케이싱의 유입구로 유입시키거나 외부의 저수조로 바이패스시키는 바이패스연결부를 더 포함하고, 상기 배수부는, 상기 제1 수위감지센서보다 높은 위치로 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 설치되고, 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물이 기설정된 위험수위에 도달하는지 여부를 감지하는 제2 수위감지센서를 더 포함하고, 상기 제2 수위감지센서로부터 신호를 받아 상기 바이패스연결부를 작동시켜 상기 유입관에 흐르는 물을 외부의 저수조로 바이패스시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인케이싱은, 상기 유입구로부터 상기 유출구로 물이 이동하는 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하도록 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인케이싱은, 상기 유출구와 상하 대응되도록 상부에 개폐가능하게 설치된 개폐커버를 더 포함하고, 상기 발전기하우징은, 상기 메인케이싱의 개폐커버 개방시 상기 메인케이싱의 상방으로 승강와이어를 통해 인입출 가능하도록 상단에 승강고리가 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치는, 메카니컬씰의 마모나 수차의 캐비테이션에 따른 진동에 의해 메카니컬씰하우징의 내부에 물이 침투할 경우 제1 수위감지센서 및 배수펌프를 포함하는 배수부를 통해 일정한 수위 이상으로 저수되지 않도록 하여 누전, 부식 및 윤활특성 저하 등에 의한 파손 및 고장의 우려를 원천적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제2 수위감지센서 및 바이패스연결부를 통해 메카니컬씰하우징의 내부에 저수되는 물이 메카니컬씰의 이상마모나 파손 등에 따른 급격한 수위상승 또는 배수펌프 등의 고장에 따른 위험수위에 도달하는 경우 유입관에 흐르는 물을 외부의 저수조로 바이패스시켜 장치 전체를 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, 메인케이싱의 유로를 나선형의 편심 모양으로 형성하여 물이 공급되는 유입관이 저낙차인 경우에도 메인케이싱의 유입구로부터 유출구까지 물의 흐름 및 속도를 점진적으로 상승시켜 발전효율을 극대화시킬 수 있고, 메인케이싱의 개폐커버 및 발전기하우징의 승강고리를 통해 시공 및 관리를 보다 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치의 일 실시예를 도시한 측면도이고,
도 2는 도 1의 실시예 중 유입관 및 유출관을 제외한 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치를 확대 도시한 요부 측면도이며,
도 3은 도 2의 실시예 중 메인케이싱의 유입구를 통해 유입되어 유출구로 유출되는 물의 흐름을 도시한 평면도이고,
도 4는 도 2의 실시예 중 메인케이싱의 개폐커버의 개방에 따라 발전기하우징의 승강고리에 승강와이어를 걸어 인입출하는 과정을 도시한 측면도이며,
도 5는 도 2의 실시예의 측단면도이고,
도 6은 도 5의 실시예 중 메카니컬씰을 통해 메카니컬씰하우징의 내부로 물이 침투되는 상태를 메카니컬씰하우징을 중심으로 확대 도시한 요부 측면도이며,
도 7은 도 6의 실시예로부터 제1 수위감지센서로부터 신호를 받은 배수펌프의 작동으로 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물을 펌핑하여 배출하는 과정을 도시한 요부 측면도이고,
도 8은 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치의 다른 실시예를 도시한 측면도이며,
도 9는 도 8의 실시예 중 유입관 및 유출관을 제외한 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치를 확대 도시한 요부 측단면도이고,
도 10은 도 9의 실시예 중 메카니컬씰을 통해 메카니컬씰하우징의 내부로 물이 급격하게 침투되는 상태를 메카니컬씰하우징을 중심으로 확대 도시한 요부 측면도이며,
도 11은 도 8의 실시예를 기준으로 도 10의 실시예에 따라 제2 수위감지센서로부터 신호를 받은 바이패스연결부의 작동으로 유입관에 흐르는 물을 외부의 저수조로 바이패스시키는 과정을 도시한 측면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치는, 도 1 내지 11에 도시된 바와 같이 메인케이싱(100), 베인케이싱(200), 수차케이싱(300), 발전기하우징(400), 메카니컬씰하우징(500), 수차(600) 및 배수부(700)를 포함하여 이루어지고, 유입관(10), 유출관(20) 및 바이패스연결부(30)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 배수부(700)는 제1 수위감지센서(710), 배수펌프(720) 및 제2 수위감지센서(730)를 포함할 수 있다.
메인케이싱(100)은 도 1 내지 5, 8, 9 및 11에 도시된 바와 같이 수중에 매입되어 설치되고, 일측면에 형성된 유입구(110)를 통해 내부로 물이 유입되며, 하면에 형성된 유출구(120)를 통해 내부로 유입된 물이 유출된다.
베인케이싱(200)은 도 2, 4 및 5에 도시된 바와 같이 상광하협의 형상으로 상면이 상기 메인케이싱(100)의 유출구(120)에 동축상으로 연통되도록 결합되고, 내주면에 방사상으로 복수의 베인(210)이 설치된다.
또한, 수차케이싱(300)은 원통 형상으로 상면이 상기 베인케이싱(200)의 하면에 동축상으로 연통되도록 결합된다.
외관을 형성하는 상기 메인케이싱(100), 베인케이싱(200) 및 수차케이싱(300) 각각은 수중에 매입되어 설치되므로 충분한 강성을 가지면서 해수에 의한 부식에 강한 재질 및 부식 방지를 위한 표면처리 등이 요구된다. 또한, 그 연결구조상 메인케이싱(100)의 유입구(110)를 통해 유입된 물은 메인케이싱(100)의 유출구(120)를 통해 유출되고, 베인케이싱(200)에 방사상으로 설치된 복수의 베인(210)을 지나면서 가이드되어 수차케이싱(300)으로 배출된다.
상기 메인케이싱(100)의 유입구(110)에는 도 1, 8 및 11에 도시된 바와 같이 유입관(10)이 연결 설치되어 유입구(110)로 물이 유입되도록 물을 공급하고, 상기 수차케이싱(300)의 하부에는 유출관(20)이 연결 설치되어 수차케이싱(300)으로 배출되는 물을 저수조로 유출시킨다.
이때, 상기 유입관(10)의 입구측 및 출구측은 저낙차라도 높이차가 있도록 설치되고, 예컨대 육상 양식장, 생활하수, 폐수처리장, 저수지, 보의 배수로, 건물의 배관 등에 적용될 수 있다. 따라서, 상기 메인케이싱(100)은 유입관(10)의 출구측인 하류의 저수조에 수중에 매입되어 설치되며, 상기 유출관(20)으로 유출되는 물은 저수조로 유출된다.
발전기하우징(400)은 도 1, 2, 4 및 5에 도시된 바와 같이 상기 메인케이싱(100)의 내부에 설치되고, 내부에 회전 가능하게 설치된 회전축(410)과 축결합된 로터(420) 및 상기 로터(420)의 외경방향으로 스테이터(430)가 고정 설치된다.
메카니컬씰하우징(500)은 도 1, 2 및 4 내지 7에 도시된 바와 같이 상기 베인케이싱(200)과 동축으로 내경방향에 위치하도록 상기 발전기하우징(400)의 하부에 결합되고, 상단에는 상기 회전축(410)을 회전 지지하는 베어링(510)이 결합되며, 하단에는 상기 회전축(410)에 연결되어 함께 회전하면서 상기 회전축(410)을 밀봉하는 메카니컬씰(520)이 구비된다.
이때, 수차(600)는 도 1, 2, 4 및 5에 도시된 바와 같이 상기 수차케이싱(300)과 동축상으로 내경방향에 위치하도록 상기 회전축(410)의 하단에 결합되고, 상기 베인케이싱(200)에 설치된 베인(210) 각각으로부터 가이드된 물에 의해 회전한다.
즉, 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치는 상하 수직으로 결합된 상기 발전기하우징(400), 메카니컬씰하우징(500) 및 수차(600)의 연결구조에 따른 수직형 발전기로, 회전축(410)이 상하 수직으로 위치하게 된다.
또한, 상기 메인케이싱(100)의 유입구(110)를 통해 유입된 물은 메인케이싱(100)의 유출구(120)를 통해 유출되고, 베인케이싱(200)에 방사상으로 설치된 복수의 베인(210)을 지나면서 가이드되어 수차(600)를 회전시킨 후 수차케이싱(300)을 통해 유출관(20)으로 유출되는데, 수차(600)를 이루는 날개의 각도나 형상에 따라 베인(210)의 각도나 형상 역시 달라질 수 있다. 결과적으로, 메인케이싱(100)의 내부로 유입된 물이 수차(600)를 회전시키고, 수차(600)와 결합된 회전축(410) 역시 함께 회전하면서 축결합된 로터(420)를 회전시키며, 그에 따라 스테이터(430)에 기전력이 발생하여 전기에너지를 얻게 된다.
한편, 상기 발전기하우징(400)은 수중에 매입된 메인케이싱(100)의 내부에 위치하여 발전기하우징(400) 역시 수중에 설치되므로 물이 침투되지 않도록 긴밀하게 밀봉되어야 하고, 메카니컬씰하우징(500) 역시 메카니컬씰(520)을 통해 회전축(410)의 노출된 하단의 회전 지지와 함께 밀봉 기능을 구현하게 된다.
그러나, 밀봉기능이 우수한 메카니컬씰(520)이라도 회전축(410)에 연결되어 메카니컬씰하우징(500)에 대하여 회전 지지하는 것이므로 도 6에 도시된 바와 같이 메카니컬씰(520)을 통해 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 물이 침투하여 저수될 수밖에 없다. 특히, 메카니컬씰(520)의 마모나 수차(600)에서 발생하는 캐비테이션에 의해 진동이 발생하면 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 침투되는 물의 양이 많아질 수밖에 없을 것이다.
그에 따라, 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 저수된 물의 수위가 높아져 메카니컬씰하우징(500)의 상부에 결합된 베어링(510)의 윤활특성을 저하시키거나 부식시키게 되면 진동 및 소음이 더욱 커질 것이고, 발전기하우징(400)의 내부까지 물이 침투하게 되면 누전에 따른 파손 및 고장이 발생하게 된다.
다만, 이러한 메카니컬씰하우징(500)의 내부에는 어느 정도의 물은 저수되어 있어야 메카니컬씰(520)과 회전축(410)의 면접촉되는 부분에 윤활 및 냉각의 역할을 수행하여 파손되지 않게 되므로 메카니컬씰하우징(500)의 저수되는 물의 수위를 일정하게 유지시켜줄 필요가 있다. 따라서, 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 배수부(700)를 통해 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 물이 유입되어 저수되는 경우 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 저수된 물을 메카니컬씰하우징(500)의 외부로 배출할 수 있도록 한다.
즉, 배수부(700)는 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 물이 유입되어 저수되면, 일정한 수위를 유지하도록 기설정된 수위를 넘어 물이 유입될 경우 물을 외부로 배출할 수 있도록 제1 수위감지센서(710) 및 배수펌프(720)를 포함할 수 있다.
제1 수위감지센서(710)는 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 설치되고, 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 저수된 물이 기설정된 수위에 도달하는지 여부를 감지한다. 예컨대, 제1 수위감지센서(710)는 레벨센서라고도 하며, 설치방식에 따라 수직형 또는 수평형 레벨센서로 나눌 수 있고, 작동방식에 따라 전기적 또는 기구적 레벨센서로 나눌 수도 있다. 어떠한 방식이든 제1 수위감지센서(710)는 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 저수된 물의 수위를 감지할 수 있으면 족하다.
배수펌프(720)는 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 설치되고, 상기 제1 수위감지센서(710)로부터 신호를 받아 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 저수된 물을 펌핑하여 외부로 배출한다. 배수펌프(720)는 명칭 그대로 물을 배출하기 위한 펌프이고, 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 설치될 수 있는 소형의 배수펌프이다.
이때, 수차(600) 및 회전축(410)의 이상진동이나 메카니컬씰(520)의 이상마모에 따라 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 침투되는 물의 급격한 수위상승 또는 발전장치는 물론, 배수펌프(720)의 고장이나 파손에 따른 수위상승으로 인해 물을 배출할 수 없게되거나 배수펌프(720)가 작동하더라도 물을 충분히 배출하기 어려운 경우에는 회전축(410)이 회전되지 않도록, 즉 수차(600)로 물이 흘러가지 않도록 할 필요가 있다.
이를 위하여, 도 8 내지 11에 도시된 바와 같이 바이패스연결부(30)와 함께 상기 배수부(700)는 제2 수위감지센서(730)를 더 포함할 수 있다. 즉, 바이패스연결부(30)는 상기 유입관(10)의 관로 상에 설치되고, 상기 유입관(10)에 흐르는 물을 상기 메인케이싱(100)의 유입구로 유입시키거나 외부의 저수조로 바이패스시킨다. 또한, 제2 수위감지센서(730)는 상기 제1 수위감지센서(710)보다 높은 위치로 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 설치되고, 상기 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 저수된 물이 기설정된 위험수위에 도달하는지 여부를 감지한다. 이때의 위험수위는 회전축(410)이 멈추었을 때 베어링(510)에 물이 닿지 않도록 점검이나 교체 등을 위하여 필요한 시간을 확보할 수 있을 정도의 수위를 말한다.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 이상마모나 진동의 이상현상, 고장이나 파손등의 문제로 인해 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 물이 급격하게 침투하여 위험수위까지 상승한 경우 도 11에 도시된 바와 같이 상기 제2 수위감지센서(730)로부터 신호를 받아 상기 바이패스연결부(30)를 작동시켜 상기 유입관(10)에 흐르는 물을 외부의 저수조로 바이패시킨다.
이를 통해, 메인케이싱(100)의 유입구(110)로 물이 흐르지 않도록 차단하게 되면, 메인케이싱(100)의 내부로 물이 흐르지 않으므로 수차(600)를 회전시키는 물의 흐름이 없게 된다. 따라서, 회전축(410) 및 수차(600)가 수중에 위치한 상태이지만, 물의 흐름이 없어 회전하지 않게 되므로 마모나 진동이 없어 미케니컬씰(520)의 밀봉에 의해 메카니컬씰하우징(500)의 내부로 물이 더이상 침투되지 않도록 막아줄수 있다. 이후, 점검을 통해 수리나 교체 후 바이패스연결부(30)를 작동시켜 유입관(10)에 흐르는 물의 흐름을 다시 메인케이싱(100)의 유입구(110)로 바꾸어 발전을 계속하여 수행할 수 있도록 한다.
한편, 저낙차 소수력 발전에서 발전효율을 보다 높이기 위하여 메인케이싱(100)의 유입구(110)로부터 유출구(120)까지 물의 흐름 및 속도를 점진적으로 상승시켜 발전효율을 극대화시킬 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 메인케이싱(100)은 상기 유입구(110)로부터 상기 유출구(120)로 물이 이동하는 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하도록 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 메인케이싱(100)은 상기 유출구(120)와 상하 대응되도록 상부에 개폐가능하게 설치된 개폐커버(130)를 더 포함하고, 이때 상기 발전기하우징(400)은 상기 메인케이싱(100)의 개폐커버(130) 개방시 상기 메인케이싱(100)의 상방으로 승강와이어(441)를 통해 인입출 가능하도록 상단에 승강고리(440)가 설치될 수 있다. 이를 통해, 수차(600), 메카니컬씰하우징(500) 및 발전기하우징(400)으로 결합된 수직형 발전기를 메인케이싱(100)의 내부로 시공하거나 유지 및 관리를 위해 보다 용이하게 인입출 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 수중매입형 소수력 발전장치는, 메카니컬씰(520)의 마모나 수차(600)의 캐비테이션에 따른 진동에 의해 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 물이 침투할 경우 제1 수위감지센서(710) 및 배수펌프(720)를 포함하는 배수부(700)를 통해 일정한 수위 이상으로 저수되지 않도록 하여 누전, 부식 및 윤활특성 저하 등에 의한 파손 및 고장의 우려를 원천적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제2 수위감지센서(730) 및 바이패스연결부(30)를 통해 메카니컬씰하우징(500)의 내부에 저수되는 물이 메카니컬씰(520)의 이상마모나 파손 등에 따른 급격한 수위상승 또는 배수펌프(720) 등의 고장에 따른 위험수위에 도달하는 경우 유입관(10)에 흐르는 물을 외부의 저수조로 바이패스시켜 장치 전체를 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, 메인케이싱(100)의 유로를 나선형의 편심 모양으로 형성하여 물이 공급되는 유입관(10)이 저낙차인 경우에도 메인케이싱(100)의 유입구(110)로부터 유출구(120)까지 물의 흐름 및 속도를 점진적으로 상승시켜 발전효율을 극대화시킬 수 있고, 메인케이싱(100)의 개폐커버(130) 및 발전기하우징(400)의 승강고리(440)를 통해 시공 및 관리를 보다 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
10 : 유입관
20 : 유출관
30 : 바이패스연결부
100 : 메인케이싱 110 : 유입구
120 : 유출구 130 : 개폐커버
200 : 베인케이싱 210 : 베인
300 : 수차케이싱
400 : 발전기하우징 410 : 회전축
420 : 로터 430 : 스테이터
440 : 승강고리 441 : 승강와이어
500 : 메카니컬씰하우징
510 : 베어링 520 : 메카니컬씰
600 : 수차
700 : 배수부 710 : 제1 수위감지센서
720 : 배수펌프 730 : 제2 수위감지센서

Claims (5)

  1. 수중에 매입되어 설치되고, 일측면에 형성된 유입구를 통해 내부로 물이 유입되며, 하면에 형성된 유출구를 통해 내부로 유입된 물이 유출되는 메인케이싱과, 상광하협의 형상으로 상면이 상기 메인케이싱의 유출구에 동축상으로 연통되도록 결합되고, 내주면에 방사상으로 복수의 베인이 설치된 베인케이싱과, 원통 형상으로 상면이 상기 베인케이싱의 하면에 동축상으로 연통되도록 결합된 수차케이싱과, 상기 메인케이싱의 내부에 설치되고, 내부에 회전 가능하게 설치된 회전축과 축결합된 로터 및 상기 로터의 외경방향으로 스테이터가 고정 설치된 발전기하우징과, 상기 베인케이싱과 동축으로 내경방향에 위치하도록 상기 발전기하우징의 하부에 결합되고, 상단에는 상기 회전축을 회전 지지하는 베어링이 결합되며, 하단에는 상기 회전축에 연결되어 함께 회전하면서 상기 회전축을 밀봉하는 메카니컬씰이 구비된 메카니컬씰하우징과, 상기 수차케이싱과 동축으로 내경방향에 위치하도록 상기 회전축의 하단에 결합되고, 상기 베인케이싱에 설치된 베인 각각으로부터 가이드된 물에 의해 회전하는 수차와, 상기 메카니컬씰하우징의 내부로 물이 유입되어 저수되는 경우 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물을 메카니컬씰하우징의 외부로 배출하는 배수부를 포함하고,
    상기 메인케이싱의 유입구로 물을 유입시키도록 연결 설치된 유입관과,
    상기 수차케이싱의 하부에 연결 설치되어 물을 유출시키는 유출관과,
    상기 유입관의 관로 상에 설치되고, 상기 유입관에 흐르는 물을 상기 메인케이싱의 유입구로 유입시키거나 외부의 저수조로 바이패스시키는 바이패스연결부를 더 포함하고,
    상기 배수부는,
    상기 메카니컬씰하우징의 내부에 설치되고, 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물이 기설정된 수위에 도달하는지 여부를 감지하는 제1 수위감지센서와,
    상기 메카니컬씰하우징의 내부에 설치되고, 상기 제1 수위감지센서로부터 신호를 받아 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물을 펌핑하여 외부로 배출하는 배수펌프와,
    상기 제1 수위감지센서보다 높은 위치로 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 설치되고, 상기 메카니컬씰하우징의 내부에 저수된 물이 기설정된 위험수위에 도달하는지 여부를 감지하는 제2 수위감지센서를 포함하고,
    상기 제2 수위감지센서로부터 신호를 받아 상기 바이패스연결부를 작동시켜 상기 유입관에 흐르는 물을 외부의 저수조로 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 수중매입형 소수력 발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메인케이싱은,
    상기 유입구로부터 상기 유출구로 물이 이동하는 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하도록 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성되는 것을 특징으로 하는 수중매입형 소수력 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인케이싱은,
    상기 유출구와 상하 대응되도록 상부에 개폐가능하게 설치된 개폐커버를 더 포함하고,
    상기 발전기하우징은,
    상기 메인케이싱의 개폐커버 개방시 상기 메인케이싱의 상방으로 승강와이어를 통해 인입출 가능하도록 상단에 승강고리가 설치된 것을 특징으로 하는 수중매입형 소수력 발전장치.
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