KR102413454B1

KR102413454B1 - 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치

Info

Publication number: KR102413454B1
Application number: KR1020210023072A
Authority: KR
Inventors: 여옥규
Original assignee: (주)큰나무
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2022-06-27

Abstract

본 발명은 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로에 설치되어 관로에 흐르는 물의 수력을 이용한 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 발전을 수행하는 수력발전기이며, 발전을 통해 생성된 전력을 공급하기 위한 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치에 관한 것이다.
이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은; 물이 유입되는 유입관 및 유입된 물이 배출되는 출수관을 갖으며, 상기 유입관과 출수관 사이로 다수의 제1직관이 연결된 병렬 관로와; 상기 다수의 제1직관 사이에 각각 연결되어 물이 유입되는데, 상기 유입되는 물을 이용해 수차를 돌려 발전기를 작동시키면서 전력을 생산하며, 상기 물이 유입되는 측에는 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성되는 관로인 제1메인케이싱이 구비되고, 상기 제1메인케이싱의 내부로 수차가 구비되며, 상기 제1메인케이싱의 외부로 상기 수차에 연결된 발전기가 구비된 다수의 제1 발전 설비와; 상기 다수의 제1 발전 설비에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 다수의 유량 밸브와; 상기 다수의 제1 발전 설비의 발전량이 발전수치값으로 전송되고, 상기 유입관에 마련되는 유량계 및 압력계를 통해 물의 유입이 수치화되어 감지값으로 전송되는데, 상기 전송되는 발전수치값 및 유입수치값을 통해 상기 다수의 유량 밸브 중 어느 하나의 유량 밸브를 개폐하거나, 또는 상기 다수의 유량 밸브를 동시에 개폐시키는 방식으로 상기 유입관에 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 다수의 제1 발전 설비의 작동을 각각 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

Description

유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치 {Small Hydro Power Device}

본 발명은 수처리 시설 또는 소하천 등의 관로에 설치되어 관로에 흐르는 물의 수력을 이용한 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 발전을 수행하는 수력발전기이며, 발전을 통해 생성된 전력을 공급하기 위한 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수력발전은 물이 흐름으로 생성되는 수압, 유량을 이용한 운동에너지를 전기에너지로 전환하여 발전을 수행하는 것으로 하천의 물을 막거나 댐을 건설하여 유수를 이용한 낙차 현상으로 발전하는 대용량 수력발전과 소하천과 농수로 및 각종 수처리 시설에 적용되어 설비 용량이 15,000kw 미만의 소수력발전이 대표적이다.

이러한 수력발전 중 소수력발전은 대용량 수력발전의 부정적 요인(대규모 설비에 의한 환경파괴, 설치 가능 지역의 제한 등)을 해결할 수 있으며, 소수력발전은 다른 발전설비 대비 친환경적이고, 단위 용량당 에너지 생산량이 많으며, 원자재의 해외 의존도가 없어 다양한 분양에서 널리 사용되고 있다.

예를 들어, 종래 국내등록특허공보 제10-1369522호를 살펴보면, 유체가 통과하는 유로 상에서 설치된 터빈 및 상기 터빈의 회전에 따라 발전하는 발전기를 포함하고, 상기 터빈은 본체, 상기 본체의 외측에 각도조절가능하게 설치된 복수의 날개, 상기 복수의 날개 측에 개별적으로 연결된 복수의 날개 회전축을 구비하며, 각 날개 회전축의 일단에는 각 날개가 결합되고, 상기 액츄에이터에는 제어부가 전기적으로 접속되고, 상기 제어부는 상기 유로를 통과하는 유체의 유량 변동에 대응하여 액츄에이터의 구동을 제어함으로 날개의 각도를 가변하는 구성으로 이루어진다.

그러나 종래에는 소수력발전장치가 설치되는 장소의 특성상 유량의 공급량에 편차가 심한 곳이 많으며, 유량 변동의 편차에 의해 발전기가 파손될 수 있음으로 상기 발전기에 물이 공급되게 전에 유량조절이 필요하며, 기존에는 유량의 조절을 유량조절밸브를 이용하거나 또는 수차의 가이드베인을 이용하는 구조를 갖는다.

한편 상기 유량조절밸브를 이용하는 경우 상기 유량조절밸브 자체가 저항역할을 하면서 압력의 손실이 급격히 증가하여 발전효율이 낮아지고 순간적인 압력 변화에 대응하지 못해 발전기의 과부하를 초래하고, 상기 가이드베인을 이용하는 경우 상기 가이드베인을 작동하기 위한 유압설비가 필요하고 상기 유압설비에 의해 유압유의 누설 등 수질오염을 야기할 수 있으며 상기 가이드베인 역시 저항역할을 하면서 발전효율이 낮아지는 문제점이 있었다.

더불어 상기 유량조절밸브 빛 가이드베인의 저항역할에 따라 유입 관로에 고압이 작용하여 관로의 파손을 야기할 수 있는 문제점이 있었다.

국내등록특허공보 제10-1369522호가 제시되어 있다.

본 발명은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 수차와 발전기를 갖는 발전설비를 관로에 병렬로 복수로 설치하고, 관로에 공급되는 유량 또는 발전량을 실시간 감지하면서 도출되는 값을 기반으로 복수의 발전설비 중 어느 하나 또는 둘 이상의 동작을 결정하거나 또는 복수의 발전설비의 출력을 조정하게 하면서 유량 편차에 대응하여 복수의 발전설비가 유동적으로 작동되게 하여 유량변동에 상관없이 발전효율이 항상 일정하게 하고, 발전설비 및 관로의 과부하, 저항역할에 의한 압력으로 파손을 야기하는 것을 방지하도록 하고, 소수력발전장치의 수명을 증대시키도록 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 해결하기 위해 본 발명은;

물이 유입되는 유입관 및 유입된 물이 배출되는 출수관을 갖으며, 상기 유입관과 출수관 사이로 다수의 제1직관이 연결된 병렬 관로와;

상기 다수의 제1직관 사이에 각각 연결되어 물이 유입되는데, 상기 유입되는 물을 이용해 수차를 돌려 발전기를 작동시키면서 전력을 생산하며, 상기 물이 유입되는 측에는 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성되는 관로인 제1메인케이싱이 구비되고, 상기 제1메인케이싱의 내부로 수차가 구비되며, 상기 제1메인케이싱의 외부로 상기 수차에 연결된 발전기가 구비된 다수의 제1 발전 설비와;

상기 다수의 제1 발전 설비에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 다수의 유량 밸브와;

상기 다수의 제1 발전 설비의 발전량이 발전수치값으로 전송되고, 상기 유입관에 마련되는 유량계 및 압력계를 통해 물의 유입이 수치화되어 감지값으로 전송되는데, 상기 전송되는 발전수치값 및 유입수치값을 통해 상기 다수의 유량 밸브 중 어느 하나의 유량 밸브를 개폐하거나, 또는 상기 다수의 유량 밸브를 동시에 개폐시키는 방식으로 상기 유입관에 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 다수의 제1 발전 설비의 작동을 각각 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치를 제공한다.

또한, 본 발명은;

상기 다수의 제1직관 사이에 각각 연결되어 물이 유입되는데, 상기 유입되는 물을 이용해 수차를 돌려 발전기를 작동시키면서 전력을 생산하며, 상기 물이 유입되는 측에는 상기 수차와 발전기를 연결하는 주축의 둘레로 물이 우회하면서 회전 유입되게 하는 나선형유로를 갖는 제2메인케이싱이 구비되고, 상기 제2메인케이싱의 일단으로 나선형유로를 통해 이동하는 물이 흘러나가면서 상기 수차를 회전되게 하며, 상기 제2메인케이싱)의 외부로 상기 수차에 주축을 통해 연결되는 발전기가 구비된 다수의 제2 발전 설비와;

상기 다수의 제2 발전 설비에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 다수의 유량 밸브;

상기 다수의 제2 발전 설비의 발전량이 발전수치값으로 전송되고, 상기 유입관에 마련되는 유량계 및 압력계를 통해 물의 유입이 수치화되어 감지값으로 전송되는데, 상기 전송되는 발전수치값 및 유입수치값을 통해 상기 다수의 유량 밸브 중 어느 하나의 유량 밸브를 개폐하거나, 또는 상기 다수의 유량 밸브를 동시에 개폐시키는 방식으로 상기 유입관에 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 다수의 제2 발전 설비의 작동을 각각 제어하는 제어부);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치를 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 관로의 유량변동에 상관없이 발전설비의 발전효율이 항상 일정하고, 발전설비 및 관로의 과부하를 줄이고, 저항역할에 의한 압력을 최소화하면서 파손이 방지되고, 결과적으로 소수력발전장치의 수명이 증대되는 효과가 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치를 나타낸 도면.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치를 나타낸 도면.

본 발명에 따른 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치를 첨부된 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

한편, 실시 예를 설명함에 있어 본 발명이 속하거나 속하지 아니한 기술분야에서 광범위하게 널리 알려져 사용되고 있는 구성요소에 대해서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하며, 이는 불필요한 설명을 생략함과 더불어 이에 따른 본 발명의 요지를 더욱 명확하게 전달하기 위함이다.

이하, 본 발명의 기본 구성의 실시 예로서, 제1 실시 예에 따른 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치에 대한 각부 구성을 도 1을 참고로 구체적으로 설명한다. 도 1은 소수력발전장치의 구성도, 도 2는 제1 발전 부재 중 제1메인케이싱의 도면이다.

이에 따른 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치(1)를 개략적으로 살펴보면, 유입관(110) 및 출수관(120)을 갖고 다수의 제1직관(130)으로 병렬 연결을 수행하는 병렬 관로(100); 물의 수압으로 수차(210)를 돌려 발전기(220)를 작동시키면서 전력을 생산하는 다수의 제1 발전 설비(200a); 제1 발전 설비(200a)에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량 제어를 하는 다수의 유량제어밸브(300); 다수의 제1 발전 설비(200a)의 작동을 각각 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치(1)의 세부 구성을 첨부된 도면을 참고로 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 병렬 관로(100)는;

물이 유입되는 유입관(110) 및 유입된 물이 배출되는 출수관(120)을 갖으며, 상기 유입관(110)과 출수관(120) 사이로 다수의 제1직관(130)이 연결되며, 상기 다수의 제1직관(130)의 배출 측으로 유출밸브(131)가 구비되고, 상기 다수의 제1직관(130)을 이용해 병렬 관로를 제공하기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 병렬 관로(100)는, 물이 유입되는 유입관(110);

상기 유입관(110)에서 일직선 방향으로 연결되며, 다수의 제1 발전 설비(200a) 또는 다수의 제2 발전 설비(200b)를 통과한 물이 배출되는 출수관(120);

상기 유입관(110)과 출수관(120) 사이에 다수의 제1 발전 설비(200a) 또는 다수의 제2 발전 설비(200b)를 연결되게 다수로 마련된 다수의 제1직관(130);을 더 포함한다.

한편, 상기 유입관(110)은, 관체로 소수력발전장치(1)가 적용되는 수처리 시설, 소하천 등의 관로에 대응하여 관 이음 가능하게 제작되고, 상기 유입관(110)을 통해 유입되는 물로 발전을 수행되게 한다.

상기 출수관(120)은, 상기 유입관(110)에서 일직선 방향으로 연결되는 관체로 관 이음이 가능하게 제작되며, 상기 유입관(110)을 통해 발전을 수행한 물이 출수되면서 물의 흐름을 지속되게 하는 것이다.

상기 다수의 제1직관(130)은, 상기 유입관(110)과 출수관(120) 사이에 다수의 제1 발전 설비(200a) 또는 다수의 제2 발전 설비(200b)를 각각 병렬 형태로 설치하기 위한 관체로 관 이음이 가능하게 제작되고, 상기 제1직관(130)은 유입관(110)과 제1 발전 설비(200a) 또는 제2 발전 설비(200b)의 입구를 연결하고, 제1 발전 설비(200a) 또는 제2 발전 설비(200b)의 출구와 출수관(120)을 연결하는 관로로 상기 제1 발전 설비(200a) 또는 제2 발전 설비(200b)에 물을 공급시키면서 물의 흐름을 연속되도록 한다.

이때, 상기 제1직관(130)의 배출 측에 마련되는 유출밸브(131)는 상기 제1직관(130)에서 출수관(120)로 유입되는 물의 유량을 선택적 제어할 수 있다.

또한, 상기 병렬 관로(100)는, 유입되는 물의 유입량을 수치화하여 감지값을 제공하는 유량계(140); 및 관로 내부의 수압을 수치화하여 감지값을 제공하는 압력계(150);를 더 포함한다.

한편 상기 유량계(140)는, 상기 유입관(110) 측에 관 이음되어 물이 유동하도록 설치되는데, 상기 유량계(140)는 물의 유량을 실시간 측정하면서 수치화하여 감지값을 제어부(400)에 제공하며, 이를 위해 상기 유량계(140)는 제어부(400)에 전기 접속되어 있다.

상기 압력계(150)는, 상기 유입관(110) 측에 관 이음되어 물이 유동하도록 설치되는데, 상기 압력계(150)는 물의 수압을 실시간 측정하면서 수치화하여 감지값을 제어부(400)에 제공하며, 상기 압력계(150) 역시 제어부(400)에 전기 접속되어 있다.

이때, 상기 유량계(140) 및 압력계(150)를 통해 제공되는 수량, 수압의 감지값이 제어부(400)에 제공되면서 상기 제어부(400)가 이를 활용할 수 있도록 한다.

또한, 상기 병렬 관로(100)는, 유입관(110)과 출수관(120) 사이에 제2직관(161)을 통해 연결되며, 상기 제1 발전 설비(200a) 또는 제2 발전 설비(200b)의 허용 발전량을 초과한 경우 상기 제2직관(161)에 설치된 바이패스밸브(162)의 개방량을 서서히 늘리면서 상기 제2직관(161)으로 물을 유입시키는 동시에 상기 제1 발전 설비(200a) 또는 제2 발전 설비(200b)로 유입되는 물의 유량을 줄이는 작용을 통해 발전량을 감소시키는 바이패스유로(160);를 더 포함한다.

상기 바이패스유로(160)는 유입관(110)과 출수관(120) 사이에 제2직관(161)을 통해 연결되면서 상기 제2직관(161)에 바이패스밸브(162)를 설치하여 이루어지며, 상기 바이패스밸브(162)는 평상시 닫힌 상태를 유지하여 상기 제1직관(130)을 통해 제1 발전 설비(200a) 또는 제2 발전 설비(200b)로 물이 흐를 수 있도록 하며, 상기 제1 발전 설비(200a) 또는 제2 발전 설비(200b)의 발전 허용 용량이 초과되는 경우 상기 바이패스밸브(162)가 열리면서 제2직관(161)으로 물이 유입되도록 하고, 상기 제2직관(161)으로 물이 유입되면서 상기 제1직관(130)으로 물이 유입되는 수량, 수압을 줄이면서 허용 발전량을 초과하는 것을 방지하도록 한다.

그리고, 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)는;

상기 다수의 제1직관(130) 사이에 각각 연결되어 물이 유입되는데, 상기 유입되는 물을 이용해 수차(210)를 돌려 발전기(220)를 작동시키면서 전력을 생산하며, 상기 물이 유입되는 측에는 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성되는 관로인 제1메인케이싱(230a)이 구비되고, 상기 제1메인케이싱(230a)의 내부로 수차(210)가 구비되며, 상기 제1메인케이싱(230a)의 외부로 상기 수차(210)에 연결된 발전기(220)가 구비되며, 생산된 전력을 공급하기 위한 것이다.

한편 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)는 상기 다수의 제1직관(130)을 통해 상기 병렬 관로(100)의 유입관(110)과 출수관(120) 사이에 병렬로 다수 결합되어 다중 발전을 수행하는데, 유체의 흐름에 의한 수압을 이용해 운동에너지를 만들면서 상기 운동에너지를 전기에너지로 전환시켜 발전에 의해 전력을 생산하도록 하며, 도면에서는 2개의 제1 발전 설비(200a)가 2개의 제1직관(130)에 각각 병렬 연결된 상태를 도시하였고, 선택에 따라 상기 제1 발전 설비(200a)를 2개 이상 설치할 수도 있다.

예를 들면, 상기 제1 발전 설비(200a)는, 수압과 유량을 이용해 회전작동하며 상기 회전작동에 의한 운동에너지를 발전기(220)에 전달시켜 발전을 수행되게 하는 수차(210); 및

상기 수차(210)가 연결되어 회전동력이 전달되며 상기 회전동력을 이용해 전력을 생산하면서 생산된 전력을 공급하는 발전기(220);를 더 포함한다.

한편, 상기 수차(210)는, 수압이 작용하는 다수의 날개가 발전기(220)에 연결된 주축(221) 상에 등간격 배치된 회전체로 제작되며, 상기 수차(210)는 제1 발전 설비(200a)로 유입되는 물의 수압에 의해 회전하면서 운동에너지를 제공하는 기능을 하고, 상기 수차(210)의 날개는 다양한 형태로 변형하여 적용할 수 있다.

상기 발전기(220)는, 상기 수차(210)에 주축(221)을 이용해 연결되는데, 상기 발전기(220)는 제1메인케이싱(230a)이 외부로 주축(221)의 일부가 노출된 측에 축 결합되어 상기 수차(210)의 운동에너지가 주축(221)을 통해 전달될 수 있고, 상기 수차(210)의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 발전을 수행하면서 전력을 생산하고, 생산된 전력을 공급하도록 한다.

이때, 상기 발전기(220)는 발전 전류량을 조절하기 위한 인버터(222)가 마련되고, 상기 인버터(222)는 발전기(220)의 발전 전류량을 조절하면서 수차(210)의 회전수를 조정되게 하며, 상기 인버터(222)는 제어부(400)에 전기접속되어 상기 제어부(400)의 제어기반에 작동하게 된다.

여기서 상기 수차(210)는, 제1 발전 설비(200a)의 허용 발전량을 초과하는 경우 수차(210)의 회전에 대한 제동기능을 하여 상기 제1 발전 설비(200a)의 허용 발전량을 초과하지 않도록 하는 제동기(211)를 더 포함한다.

상기 제동기(211)는 수차(210)에 인접한 측에 주축(221)에 결합되는데, 상기 주축(221)에 기계적 가압력에 의한 마찰로 회전수를 늘리거나 줄이는 제동기능을 하는 브레이크이며, 제1 발전 설비(200a)가 허용 발전량을 초과하면 제어부(400)의 제어기반에서 상기 제동기(211)가 작동하여 상기 제1 발전 설비(200a)의 수차(210) 회전수를 제어하면서 과부하를 방지하게 한다.

또한, 상기 제1 발전 설비(200a)는, 물이 유입 및 배출되는 유로가 형성되고, 상기 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성되면서 상기 제1직관(130)의 연결 수로 기능을 하고, 상기 발전기(220)를 외부에 설치되게 하는 제1메인케이싱(230a);을 더 포함한다.

상기 제1메인케이싱(230a)은 내부에 물이 이동하는 유로를 갖는 함체 형태로 제작되는데, 상기 제1메인케이싱(230a)의 상부 일측에는 제1직관(130)에 연결되어 물이 유입되는 입구(231)가 형성되고, 상기 입구(231)의 하부 측방에는 내부에 상기 수차(210)가 주축(221)에 결합되면서 마련되며, 상기 입구(231)를 통해 유입되는 물을 수차(210)를 거쳐 제1직관(130)로 흘러 이동하도록 출구(232)가 형성되고, 상기 입구(231)와 출구(232) 사이의 유로가 나선형의 편심 모양으로 상기 수차(210)를 측으로 이동하는 물의 단면적이 점차 축소되게 형성되어 있다.

상기 출구(232)의 경우 상기 수차(210)가 마련되는 관체 부분이며, 상기 출구(232)에 물이 유입되기 까지의 유로 부분이 나선형의 편심 모양으로 형성되어 있다.

예컨대 상기 제1메인케이싱(230a)을 더 부가함에 따라 나선형 편심 모양으로 수차(210)로 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성됨에 따라 상기 제1메인케이싱(230a)의 내부로 유입되는 물의 압력과 유량이 상기 수차(210)에 균일하게 작용하도록 한다.

여기서, 상기 제1메인케이싱(230a)은, 상기 발전기(220)와 수차(210)를 연결하는 주축(221)이 내부에 마련되는데, 상기 주축(221)이 외부로 노출된 부분을 감싸면서 베어링으로 체결시켜 상기 주축(221)을 지지하는 구조를 통해 상기 발전기(220)의 외부 연결을 가능하게 하는 베어링케이싱(240)을 더 포함한다.

상기 베어링케이싱(240)은 주축(221)을 감싸는 하우징 형태로 제작되는데, 상기 주축(221)을 감싼 사이에는 주축(221)의 회전을 지지하는 베어링이 삽입되고, 상기 베어링케이싱(240)이 주축(221)을 지지한 상태에서 상기 제1메인케이싱(230a)의 일측에 결합되어 고정되며, 상기 주축(221)의 외부 노출 부분을 지지하는 베어링케이싱(240)에 의해 상기 발전기(220)가 제1메인케이싱(230a)의 바깥쪽에 위치되면서 상기 제1메인케이싱(230a)의 내부 수차(210)에 연결되도록 결합될 수 있다.

그리고, 상기 다수의 유량제어밸브(300)는;

상기 다수의 제1 발전 설비(200a)에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 다수의 유량제어밸브(300)는, 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)의 설치 수에 맞게 구비되는데, 상기 유량제어밸브(300)는 상기 제1 발전 설비(200a)의 물 유입 측에 제1직관(130)에 설치되며, 상기 유량제어밸브(300)는 전동 밸브로 제어부(400)에 전기적으로 접속되고, 상기 제어부(400)의 제어기반에서 상기 제1직관(130)을 통해 제1 발전 설비(200a)로 유입되는 물의 유량을 유량제어밸브(300)의 개폐작동에 따라 조절할 수 있게 한다.

그리고, 상기 제어부(400)는;

상기 다수의 제1 발전 설비(200a)의 발전량이 발전수치값으로 전송되고, 상기 유입관(110)에 마련되는 유량계(140) 및 압력계(150)를 통해 물의 유입이 수치화되어 감지값으로 전송되는데, 상기 전송되는 발전수치값 및 유입수치값을 통해 상기 다수의 유량제어밸브(300) 중 어느 하나의 유량제어밸브(300)를 개폐하거나, 또는 상기 다수의 유량제어밸브(300)를 동시에 개폐시키는 방식으로 상기 유입관(110)에 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)의 작동을 각각 제어하기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 제어부(400)는, 마이크로컴퓨터로 입출력장치가 마련될 수 있으며, 상기 제어부(400)는 마이크로컴퓨터의 제어기반에서 소수력발전장치(1)를 바람직하게 운용할 수 있는 물의 유량, 물의 압력, 발전용량, 수차의 회전속도 등의 입력값을 입력하여 저장할 수 있고, 상기 유량계(140), 압력계(150)를 통해 물이 유입되는 유입량 수압 등이 수치화된 감지값이 제공되면 상기 입력값과 비교하여 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)의 발전을 위한 작동을 가감하면서 제어하게 하고, 이를 통해 상기 제1 발전 설비(200a)가 최적의 발전용량으로 자동조절을 수행할 수 있게 된다.

이때, 상기 제어부(400)는 유량제어밸브(300), 바이패스밸브(162), 인버터(222), 제동기(211) 등에 전기접속되어 이들을 각각 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부(400)는, 다수의 유량제어밸브(300)를 사용하지 않는 경우 상기 수차(210)로 물이 유입되는 유량을 조절하는데,

상기 발전기(220)에 구비되는 인버터(222)를 통해 발전되는 전류량을 증가시키는 작용으로 상기 수차(210)의 회전수가 감소되어 유입되는 물의 유량을 감소시키거나, 또는 상기 인버터(222)를 통해 발전되는 전류량을 감소시키는 작용으로 상기 수차(210)의 회전수가 증가되어 유입되는 물의 유량을 증가시키게 하며,

상기 인버터(222)의 발전 전류량 조절에 따라 수차(210)의 회전수가 임의 조절되고, 상기 수차(210)의 회전수에 따라 유입되는 유량이 임의 조절되는 것을 더 포함한다.

한편 상기 인버터(222)를 이용한 수차(210)의 회전수 조절 기능의 경우 물의 유량이 증가나 수압이 높아져 상기 수차(210)의 회전수가 빨라지는 경우 상기 수차(210)의 회전수를 직접적으로 낮출 수 있도록 하고, 유입되는 물의 유량의 감소나 수압이 낮아져 수차(210)의 회전수가 느려지는 경우 이 역시 상기 수차(210)의 회전수를 직접적으로 높일 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 또 다른 구성의 실시 예로서, 제2 실시 예에 따른 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치에 대한 각부 구성을 도 3 내지 도 4를 참고로 구체적으로 설명한다. 도 3은 소수력발전장치의 구성도, 도 4는 제2 발전 부재 중 제2메인케이싱의 도면이다.

이에 따른 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치(1)를 개략적으로 살펴보면, 유입관(110) 및 출수관(120)을 갖고 다수의 제1직관(130)으로 병렬 연결을 수행하는 병렬 관로(100); 물의 수압으로 수차(210)를 돌려 발전기(220)를 작동시키면서 전력을 생산하는 다수의 제2 발전 설비(200b); 제2 발전 설비(200b)에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량 제어를 하는 다수의 유량제어밸브(300); 다수의 제2 발전 설비(200b)의 작동을 각각 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된다.

한편, 전술한 바와 같이 기본 실시 예에서 상기 병렬 관로(100); 다수의 유량제어밸브(300); 제어부(400);가 상세하게 설명되었기 때문에 이에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 하며, 기본 실시 예의 제1 발전 설비(200a)를 대신하여 상기 병렬 관로(100); 다수의 유량제어밸브(300); 제어부(400);에 제2 발전 설비(200b)가 적용된 또 다른 실시 예의 세부 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 상기 다수의 제2 발전 설비(200b)는;

상기 다수의 제1직관(130) 사이에 각각 연결되어 물이 유입되는데, 상기 유입되는 물을 이용해 수차(210)를 돌려 발전기(220)를 작동시키면서 전력을 생산하며, 상기 물이 유입되는 측에는 상기 수차(210)와 발전기(220)를 연결하는 주축(221)의 둘레로 물이 우회하면서 회전 유입되게 하는 나선형유로(233)를 갖는 제2메인케이싱(230b)이 구비되고, 상기 제2메인케이싱(230b)의 일단으로 나선형유로(233)를 통해 이동하는 물이 흘러나가면서 상기 수차(210)를 회전되게 하며, 상기 제2메인케이싱(230b)의 외부로 상기 수차(210)에 주축(221)을 통해 연결되는 발전기(220)가 구비되고, 생산된 전력을 공급하기 위한 것이다.

한편 상기 다수의 제2 발전 설비(200b) 역시 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)와 마찬가지로 상기 다수의 제1직관(130)을 통해 상기 병렬 관로(100)의 유입관(110)과 출수관(120) 사이에 병렬로 다수 결합되어 다중 발전을 수행하는데, 유체의 흐름에 의한 수압을 이용해 운동에너지를 만들면서 상기 운동에너지를 전기에너지로 전환시켜 발전에 의해 전력을 생산하도록 하며, 도면에서는 2개의 제2 발전 설비(200b)가 2개의 제2직관(161)에 각각 병렬 연결된 상태로 도시하였고, 선택에 따라 상기 제2 발전 설비(200b)를 2개 이상 설치할 수도 있다.

예를 들면, 상기 제2 발전 설비(200b)는, 수압과 유량을 이용해 회전작동하며 상기 회전작동에 의한 운동에너지를 발전기(220)에 전달시켜 발전을 수행되게 하는 수차(210); 및

상기 수차(210) 및 발전기(220)는 전술한 기본 실시 예에서 상세하게 설명되었기 때문에 이에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 하며, 상기 수차(210) 및 발전기(220)의 상세한 설명은 기본 실시 예의 내용을 대신하도록 한다.

여기서, 상기 수차(210)는, 제2 발전 설비(200b)의 허용 발전량을 초과하는 경우 수차(210)의 회전에 대한 제동기능을 하여 상기 제2 발전 설비(200b)의 허용 발전량을 초과하지 않도록 하는 제동기(211)를 더 포함한다.

상기 제동기(211)는 전술한 기본 실시 예에서 상세하게 설명되었기 때문에 이에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 하며, 상기 제동기(211)의 상세한 설명은 기본 실시 예의 내용을 대신하도록 한다.

또한, 상기 제2 발전 설비(200b)는, 물이 유입 및 배출되는 유로가 형성되는데, 상기 물이 유입되는 측으로 유입되는 물을 주축(221)의 연결 위치의 둘레로 우회하면서 회전이동되게 하는 나선형유로(233)가 나선형 모양으로 형성되며, 상기 나선형유로(233)는 수차(210)로 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되면서 형성된 제2메인케이싱(230b);을 더 포함한다.

상기 제2메인케이싱(230b)은 내부에 물이 이동하는 공간을 갖는 함체 형태로 제작되는데, 상기 제2메인케이싱(230b)의 상부 일측에는 제1직관(130)에 연결되어 물이 유입되는 입구(231)가 형성되고, 상기 입구(231)의 하부에는 주축(221)이 삽입되는 위치의 둘레로 나선형 공간 형태의 나선형유로(233)가 형성되며, 상기 나선형유로(233)는 주축(221)이 제2메인케이싱(230b)에 삽입된 위치의 둘레로 물이 우회하면서 이동하도록 나선형 공간을 형성하는 동시에 수차(210)로 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되도록 형성되고, 상기 나선형유로(233)를 통해 주축(221)이 수차(210)에 연결되기 위한 거리를 대폭 줄일 수 있게 된다.

이때, 상기 제2메인케이싱(230b)은 상기 나선형유로(233)를 통해 물이 유입되는 끝 부분으로 수차(210)가 구비되는 출구(232)가 형성되고, 상기 출구(232)의 경우 상기 수차(210)가 내부에 마련되는 관체 부분이며, 상기 출구(232)에 물이 유입되기 까지의 유로 부분이 상기 나선형유로(233)로 이루어진다.

예컨대 상기 제2메인케이싱(230b)을 더 부가함에 따라 나선형 모양의 나선형유로(233)를 통해 수차(210)로 이동하는 유로의 단면적을 점차 축소 시키면서 형성되어 제2메인케이싱(230b)의 내부로 유입되는 물의 압력과 유량이 상기 수차(210)에 균일하게 작용하도록 한다.

여기서, 상기 제2메인케이싱(230b)은, 상기 발전기(220)와 수차(210)를 연결하는 주축(221)이 내부에 마련되는데, 상기 주축(221)이 외부로 노출된 부분을 감싸면서 베어링으로 체결시켜 상기 주축(221)을 지지하는 구조를 통해 상기 발전기(220)의 외부 연결을 가능하게 하는 베어링케이싱(240)을 더 포함한다.

상기 베어링케이싱(240)은 전술한 기본 실시 예에서 상세하게 설명되었기 때문에 이에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 하며, 상기 베어링케이싱(240)의 상세한 설명은 기본 실시 예의 내용을 대신하도록 한다.

한편, 전술한 구조로 이루어진 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치(1)의 발전 과정을 살펴보면, 예를 들어 제어부(400)의 제어기반에서 유입되는 물의 유량에 따라 다수의 제1 발전 설비(200a)(다수이 제2 발전 설비) 중에서 어느 하나만 작동시키거나 모두 작동시키는 가변 발전 작동을 통해 물의 유량 변화에 대응하면서 발전효율을 효율적으로 유지할 수 있고, 에너지 손실을 최소화하게 된다.

전술한 발전과정은 기본적으로 원수가 유입되면 유량계(140), 압력계(150)가 이를 감지하여 유량계(140), 압력계(150)의 감지신호에 따라 다수의 제1 발전 설비(200a)(다수의 제2 발전 설비)가 유량에 대응하여 가변 작동하도록 다수의 유량제어밸브(300)를 조작하게 하고, 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)(다수의 제2 발전 설비) 모두의 허용 발전량 보다 많은 물이 유입되는 경우 바이패스유로(160)를 통해 과부하를 줄이도록 한다.

또한 상기 인버터(222)를 이용해 회전수를 조절하는 경우 수차(210)의 회전수에 맞추어 발전기(220)의 출력을 설정하고, 즉 출력전력은 전압×전류이므로 발전기(220)에 마련된 인버터(222)를 이용하여 전류를 조정하는데, 유량이 증가나 압력이 높아져 수차(210)의 회전수가 상승하면 발전기(220)의 전류를 증가시켜 수차(210)가 설정회전수로 회전하게 하고, 유량이 감소나 압력이 낮아져 수차(210)의 회전수가 감소하면 발전기(220)의 전류를 감소시켜 수차(210)의 회전수를 증가시킨다. 이에 따라 전류량은 회전수를 조정하는 저항 역할을 수행함으로 인버터(222)를 이용해 발전기(220)의 전류량을 증가시키면 수차(210)의 회전수가 낮아지고, 발전기(220)의 전류량을 감소시키면 수차(210)의 회전수는 높아져 유입되는 유량에 적절하게 대응할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이. 본 발명은 특정의 바람직한 실시 예를 예시한 설명과 도면으로 표현하였으나, 여기서 사용하는 용어들은 본 발명을 용이하게 설명하기 위함이며, 이 용어들에 대한 의미 한정이나, 특허청구범위에 기재된 범위를 제한하기 위함이 아니며,

본 발명은 상기한 실시 예에 따른 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경 및 개조, 수정 등이 가능할 수 있음을 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

1; 소수력발전장치 100; 병렬 관로
110; 유입관 120; 출수관
130; 제1직관 140; 유량계
150; 압력계 160; 바이패스유로
200a; 제1 발전 설비 200b; 제2 발전 설비
210; 수차 220; 발전기
230a; 제1메인케이싱 230b; 제2메인케이싱
240; 베어링케이싱 300; 유량제어밸브
400; 제어부

Claims

물이 유입되는 유입관(110) 및 유입된 물이 배출되는 출수관(120)을 갖으며, 상기 유입관(110)과 출수관(120) 사이로 다수의 제1직관(130)이 연결되고, 상기 제1직관(130)의 배출 측으로 유출밸브(131)가 구비된 병렬 관로(100)와;
상기 다수의 제1직관(130) 사이에 각각 연결되어 물이 유입되는데, 상기 유입되는 물을 이용해 수차(210)를 돌려 발전기(220)를 작동시키면서 전력을 생산하며, 상기 물이 유입되는 측에는 유로가 나선형의 편심 모양으로 물이 이동하는 유로의 단면적이 점차 축소되게 형성되는 관로인 제1메인케이싱(230a)이 구비되고, 상기 제1메인케이싱(230a)의 내부로 수차(210)가 구비되며, 상기 제1메인케이싱(230a)의 외부로 상기 수차(210)에 연결된 발전기(220)가 구비된 다수의 제1 발전 설비(200a)와;
상기 다수의 제1 발전 설비(200a)에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 다수의 유량제어밸브(300)와;
상기 제1 발전 설비(200a)의 허용 발전량을 초과한 경우 바이패스밸브(162)의 개방량을 서서히 늘리면서 상기 제1 발전 설비(200a)로 유입되는 물의 유량을 줄이는 작용을 선택적 수행하는 바이패스유로(160)와;
상기 다수의 유량제어밸브(300) 중 어느 하나의 유량제어밸브(300)를 개폐하거나, 또는 상기 다수의 유량제어밸브(300)를 동시에 개폐시키는 방식으로 상기 유입관(110)에 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 다수의 제1 발전 설비(200a)의 작동을 각각 제어하거나, 또는 상기 다수의 유량제어밸브(300)를 사용하지 않는 경우 상기 발전기(220)에 구비되는 인버터(222)의 출력값을 조절하여 상기 수차(210)로 물이 유입되는 유량을 선택적 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치.
제1항에 있어서,
상기 제1메인케이싱(230a)은 발전기(220)와 수차(210)를 연결하는 주축(221)이 내부에 마련되는데, 상기 주축(221)이 외부로 노출된 부분을 감싸면서 베어링으로 체결시켜 상기 주축(221)을 지지하는 구조를 통해 상기 발전기(220)의 외부 연결을 가능하게 하는 베어링케이싱(240)을 더 포함한 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치.
물이 유입되는 유입관(110) 및 유입된 물이 배출되는 출수관(120)을 갖으며, 상기 유입관(110)과 출수관(120) 사이로 다수의 제1직관(130)이 연결되고, 상기 제1직관(130)의 배출 측으로 유출밸브(131)가 구비된 병렬 관로(100)와;
상기 다수의 제1직관(130) 사이에 각각 연결되어 물이 유입되는데, 상기 유입되는 물을 이용해 수차(210)를 돌려 발전기(220)를 작동시키면서 전력을 생산하며, 상기 물이 유입되는 측에는 상기 수차(210)와 발전기(220)를 연결하는 주축(221)의 둘레로 물이 우회하면서 회전 유입되게 하는 나선형유로(233)를 갖는 제2메인케이싱(230b)이 구비되고, 상기 제2메인케이싱(230b)의 일단으로 나선형유로(233)를 통해 이동하는 물이 흘러나가면서 상기 수차(210)를 회전되게 하며, 상기 제2메인케이싱(230b)의 외부로 상기 수차(210)에 주축(221)을 통해 연결되는 발전기(220)가 구비된 다수의 제2 발전 설비(200b)와;
상기 다수의 제2 발전 설비(200b)에 물이 유입되는 유량을 조절하여 발전을 위한 유량을 제어하는 다수의 유량제어밸브(300)와;
상기 제2 발전 설비(200b)의 허용 발전량을 초과한 경우 바이패스밸브(162)의 개방량을 서서히 늘리면서 상기 제2 발전 설비(200b)로 유입되는 물의 유량을 줄이는 작용을 선택적 수행하는 바이패스유로(160)와;
상기 다수의 유량제어밸브(300) 중 어느 하나의 유량제어밸브(300)를 개폐하거나, 또는 상기 다수의 유량제어밸브(300)를 동시에 개폐시키는 방식으로 상기 유입관(110)에 유입되는 물의 유량 편차에 대응하여 상기 다수의 제2 발전 설비(200b)의 작동을 각각 제어하거나, 또는 상기 다수의 유량제어밸브(300)를 사용하지 않는 경우 상기 발전기(220)에 구비되는 인버터(222)의 출력값을 조절하여 상기 수차(210)로 물이 유입되는 유량을 선택적 제어하는 제어부(400);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치.
제3항에 있어서,
상기 제2메인케이싱(230b)은 발전기(220)와 수차(210)를 연결하는 주축(221)이 내부에 마련되는데, 상기 주축(221)이 외부로 노출된 부분을 감싸면서 베어링으로 체결시켜 상기 주축(221)을 지지하는 구조를 통해 상기 발전기(220)의 외부 연결을 가능하게 하는 베어링케이싱(240)을 더 포함한 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 제어부(400)는 다수의 유량제어밸브(300)를 사용하지 않는 경우 상기 수차(210)로 물이 유입되는 유량을 조절할 수 있는데,
상기 발전기(220)에 구비되는 인버터(222)의 출력값을 증가시키는 작용을 통해 상기 수차(210)의 회전수를 감소시켜 유입되는 물의 유량을 감소되게 하거나, 또는 상기 인버터(222)의 출력값을 감소시키는 작용을 통해 상기 수차(210)의 회전수를 증가시켜 유입되는 물의 유량을 증가되게 하며,
상기 인버터(222)의 출력값 조절에 따라 수차(210)의 회전수가 임의 조절되고, 상기 수차(210)의 회전수에 따라 유입되는 유량이 임의 조절되는 것을 더 포함한 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 제어부(400)는 상기 다수의 제1 발전 설비(200a) 또는 상기 다수의 제2 발전 설비(200b)의 발전량이 발전수치값으로 전송되고, 상기 유입관(110)에 마련되는 유량계(140) 및 압력계(150)를 통해 물의 유입이 수치화되어 감지값으로 전송되는데, 상기 전송되는 발전수치값 및 유입수치값을 통해 상기 다수의 유량제어밸브(300) 중 어느 하나의 유량제어밸브(300)를 개폐하거나, 또는 상기 다수의 유량제어밸브(300)를 동시에 개폐시키는 것을 더 포함한 유량 및 낙차 변동형 소수력발전장치.