KR102453320B1 - 유속 증가 기능을 갖는 수류터빈 및 이를 활용한 수류발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수류터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체가 흐르는 수로에 설치되는에 있어서, 일측면에 경사부가 형성되고 내부가 비어 있는 지지부, 및 경사부와 이격된 위치에서 지지부와 결합되며, 물의 흐름을 이용해 회전하는 터빈부를 포함하고, 지지부는 경사부와 이격된 위치에 회전홈을 더 포함하며, 터빈부는 회전홈에 배치되어 회전하는 것을 특징으로 한다.

Description

유속 증가 기능을 갖는 수류터빈 및 이를 활용한 수류발전 시스템{A hydrokinetic turbine with flow velocity increase function and a hydro power generation system using the same}

유체가 흐르는 수로에 설치되는 수류터빈에 관한 것으로, 자세하게는 물의 흐름을 활용해서 수차 날개를 회전시키는 수류터빈에 관한 것이다.

수력에너지는 예측가능성, 안정성 및 친환경성 등의 특성과 강점을 갖고 있어 오랜 기간 수력발전에 대한 기술개발 및 사업이 진행되어 왔다. 주류를 이루어 온 댐식 수력발전은 수력에너지 확보의 기본 요건인 낙차와 낙차를 확보하기 위해 댐을 비롯한 대규모 토목구조물이 필요하고, 이를 위한 사업 적지가 한정되어 있으며, 그중 상당부분이 이미 개발되어 왔다.

소수력 발전의 경우에도 주로 낙차(압력)를 이용하는 발전방식을 적용하였으며, 무낙차 조건에서 물의 흐름을 이용하는 수류발전 방식은 요구되는 형태의 수차와 발전방식 등에 대한 연구개발과 시도가 상대적으로 미진하였다.

기존의 수류발전은 흐름에너지를 전력에너지로 전화하는 특성 상, 유속이 가장 중요한 결정 요인이며, 일정 수준 이상의 유속이 확보되는 사업적지가 한정되어 있는 것도 수류에너지 회수에 대한 연구와 사업개발이 부족한 원인이었다.

아울러, 정형화된 발전설비와 운영관리가 이루어지는 댐식 수력발전과는 다르게 수류발전방식은 적용하는 지점의 시기별 유량 및 유속 변화, 지형적 다양성, 발전설비 구조물의 안정성 확보 및 한 지점에서 생산되는 작은 수류에너지 밀도 등 다양한 변수를 반영해야 하는 어려움이 있었다.

또한, 무낙차 수류에너지 회수를 위한 다양한 연구개발과 사업적 시도에도 불구하고, 발전설비의 안정성을 확보하면서, 수류에너지 잠재량 중 많은 부분을 효과적으로 전기에너지로 전환하는 못하는 문제가 있다.

10-2010-0083820 B (정광옥) 공고일:2011.10.27

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 도출된 것으로 다양한 수로에 적용이 가능하고, 기존에 비해 설치비용이 낮아 경제성이 높으며, 제작 및 설치가 용이한 수류터빈을 제공하는 것을 목적이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수류터빈은 유체가 흐르는 수로에 설치되는 것에 있어서, 일측면에 경사부가 형성되고 내부가 비어 있는 지지부, 및 경사부와 이격된 위치에서 지지부와 결합되며, 유체의 흐름을 이용해 회전하는 터빈부를 포함하고, 지지부는 경사부와 이격된 위치에 회전홈을 더 포함하며, 터빈부는 회전홈에 배치되어 회전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 터빈부는 회전홈에 결합되어 회전하는 회전축, 및 회전축이 내부에 고정되고, 회전축을 기준으로 회전하는 회전모듈부를 포함하며, 회전모듈부의 단면적은 회전축을 중심으로 바깥쪽으로 갈수록 줄어드는 것을 특징으로 한다.

또한, 회전모듈부는 회전축이 삽입되는 삽입홀이 형성된 회전부, 및 회전부의 바깥면에 회전부의 회전 방향과 수직인 방향으로 결합되는 복수의 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 복수의 블레이드의 중심부는 유체의 흐름 방향과 동일한 방향으로 휘어진 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 지지부는 각기 다른 수류터빈과 결합하기 위한 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수류터빈 시스템은 수류터빈, 및 터빈부의 회전축과 연결되며, 터빈부의 회전을 통해 전기를 생성하는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 수로 내부에 지지부가 적어도 하나가 설치되며, 수로에 적어도 하나가 설치된 지지부는 수로를 차지하는 유체의 단면적을 70% 내지 50%로 줄여주는 것을 특징으로 한다.

또한, 수류터빈은 수로의 내부에 적어도 하나가 배치되며, 수류터빈은 수로의 측면에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 수류터빈은 수로의 내부에 적어도 하나가 배치되며, 수로의 바닥부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 수류터빈은 수로의 내부에 적어도 하나가 배치되며, 수로의 측면과 바닥부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

수류에너지 변환에 있어서 가장 중요한 결정요인이 되는 유속을 지지부를 통해 효과적으로 증대시켜서 발전량을 기하급수적으로 증가 시킬 수 있으며, 기존 대비 용이한 제작 및 설치 방식으로 상업적 경제성을 확보할 수 있는 사업적지는 무한대에 가깝게 확장될 수 있다.

아울러 무낙차 흐름을 이용한 수류발전 방식은 자체적인 발전기능 뿐만 아니라, 적용 사업지의 지형적, 기후적, 사회적 여건을 반영하여 친환경 에너지저장 및 물의 순환 개선을 통한 수변환경 개선 등의 복합기능을 갖도록 설계 또는 운영될 수 있다.

또한, 장축의 방향 설치된 블레이드가 물레방아와 같은 방식으로 회전하면서 물의 저항을 줄여 수류에너지를 최대치로 회수할 수 있고, 터빈과 지지부가 하나의 모듈로 형성되어 설치가 용이하여 다양한 설치 조건에도 범용해서 적용이 가능하다.

또한, 지지부의 내부가 비어있는 형태로 형성되어 있기 때문에, 기존보다 적은 재료로도 제작 할 수 있어서 높은 경제성을 얻을 수 있으며, 지지부의 형체를 판재가공을 통해 제작할 수 있기 때문에 기존대비 간편한 제작이 가능하다.

도 1은 본 발명 실시예 1의 수류터빈에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명 실시예 1의 수류터빈에 대한 분해도이다.
도 3은 본 발명 실시예 1에 수류터빈에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명 실시예 1의 블레이드에 대한 사시도이다.
도 5는 본 발명 실시예 1의 사시도이다.
도 6은 본 발명 실시예 1의 내부가 점선으로 도시된 평면도이다.
도 7은 본 발명 실시예 2의 사시도이다.
도 8은 본 발명 실시예 3의 사시도이다.
도 9는 본 발명 실시예 4의 사시도이다.
도 10은 본 발명 실시예 4의 정면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 본 명세서 사용되는 용어들은 본 발명의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래에 개시된 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

그리고 아래에 개시된 실시예에서의 "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 수류터빈(1000)은 물(유체, 이하 물)이 흐르는 수로(10)에 배치되며 빠른 유속에도 형태를 유지하는 지지부(100) 및 지지부(100)에 결합되어 물의 흐름을 활용해서 회전하는 터빈부(200)를 포함한다.

지지부(100)는 상술하였듯이 유속에도 형태를 유지하기 위한 재질로 구성하되 철판을 가공하여 제작되는 것이 바람직하고, 일측에 경사부(110)가 형성되며 터빈부(200)가 회전할 수 있도록 내부 방향으로 형성된 회전홈(120)이 형성되고, 경사부(110)는 유선형의 곡률과 유사한 곡률로 형성될 수도 있어서 물이 지지부(100)를 통과하면서 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있다.

회전홈(120)은 경사부(110)의 끝나는 지점으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 형성되며, 회전홈(120)의 내부 구조는 제한이 없으나 반달 형태로 홀이 형성된 것이 바람직하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 수류터빈(1000)은 지지부(100)에 형성된 회전홈(120)에 결합되는 터빈부(200)를 포함하며, 터빈부(200)는 물의 흐름에도 변형이 발생하지 않는 재질로 구성하되 고강도 플라스틱으로 구성되는 것이 바람직하고, 터빈부(200)는 회전모듈부(210)와 회전축(220)을 포함한다. 회전모듈부(210)에 대한 설명은 다른 도면을 통해 상세히 설명한다.

회전축(220)은 종래에 수류터빈(1000)에서 사용되는 것을 그대로 사용하거나, 회전축(220)에 각을 만들어 회전모듈부(210)와의 결합을 강하게 할 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 일측의 면을 절단한 수류터빈(1000)은 내부가 비어있는 지지부(100) 및 지지부(100)에 결합된 터빈부(200)를 포함하고, 내부가 비어있는 지지부(100)를 통해 수류터빈(1000)을 제작하기 위한 비용을 절감해서 적은 금액으로 유속을 빠르게 해서 보다 많은 에너지를 회수 할 수 있는 수류터빈(1000)을 만들 수 있다.

또한, 지지부(100)가 닫힌 형태로 형성되어 경사부(110)를 빠져나온 물에 의해 발생한 난류가 내부로 유입되는 것을 막을 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 회전모듈부(210)는 회전부(211) 및 복수의 블레이드(212)를 포함한다. 회전부(211)는 상술한 회전축(220)이 삽입홀(211-1)에 관통되어 결합되며, 유체가 회전모듈부(210)를 회전하는 힘(에너지)을 회전축(220)으로 전달한다. 회전부(211)의 삽입홀(211-1) 형태는 제한이 없으나 회전축(220)과 결합을 높이기 위해 다각형으로 형성될 수도 있고, 내부에 핀을 비롯한 다른 구성을 통해 고정될 수도 있다.

복수의 블레이드(212)는 상술한 회전부(211)의 외측에 돌출된 형태로 회전부(211)의 중심으로부터 가장자리로 갈수록 단면적이 줄어들며, 복수의 블레이드(212)는 중심이 휘어진 형태로 형성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 수류터빈 시스템(2000)은 굵은 화살표 방향으로 물이 흐르는 수로(10)에 배치되어 물이 흐르는 면적을 줄여 유속을 높이고, 높아진 유속을 통해 상술한 터빈부(200)를 회전하여 전기를 생산한다. 수류터빈 시스템(2000)은 수로 측면부(11) 또는 수로 하부(12) 중 적어도 한 곳에 결합된다.

또한, 상술한 복수의 블레이드(212)는 물이 흐르는 방향으로 도드라지도록 휘어져 배치된다. 이렇게 장축 물레방아와 같은 형태로 물에서 에너지를 회수 할 수 있다.

또한, 수류터빈 시스템(2000)은 수로(10)에 설치되며 추가로 양수펌프장치를 더 포함할 수 있다. 양수펌프장치는 수로(10)에서 흐르는 물을 상류로 올려주며, 바람직하게 양수펌프장치는 수류터빈 시스템(2000)을 통과한 물을 수류터빈 시스템(2000)을 통과하기 이전의 위치로 옮긴다.

이를 통해 수류터빈 시스템(2000)을 설치하기 이전에는 발전하기 적절하지 못하는 수량을 상승시켜서 수류터빈 시스템(2000)을 설치할 수 있는 여건으로 바꾸는 효과가 있다. 예를 들면 수류터빈 시스템(2000)을 설치하기 위한 수량이 2m라고 가정하면, 기존의 수량이 1m인 수로(10)에 양수펌프장치를 통해 수량을 1m 추가할 수 있다. 이로서 기존에 버려지던 수량이 1m인 수로(10)에도 설치가 가능한 효과가 있다.

또한, 기존의 양수펌프장치는 높은 산으로 물을 끌어올려서 낙차를 통해 기존의 수류터빈을 작동시키나, 본 발명의 경우에는 상대적으로 낮은 위치로 물을 끌어올리기 때문에 기존에 비해 사용되는 에너지가 낮고, 높은 산에 올릴 수 있는 양수펌프장치를 설치하기 위한 비용도 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 수류터빈 시스템(2000)은 지지부(100) 내부의 빈 공간에 발전부(300)를 포함 할 수 있다. 발전부(300)는 터빈부(200)와 연결되어, 터빈부(200)에서 회수된 에너지를 발전부(300)로 전달해서 전기를 생산한다. 예를들면 터빈부(200)의 회전축(220)과 기존의 발전부(300)에 포함된 발전용 샤프트가 결합되어 동일한 축에서 회전하거나, 체인 및 풀리와 벨트로 연결되어 전기를 생산할 수 있다.

또한, 터빈부(200)의 회전축(220)과 발전부(300)의 사이에 기어를 설치할 될 수 있으며, 회전축(220)에 연결된 적어도 하나 이상의 기어는 다른 종류의 발전시설들에 비해 낮은 회전속도를 향상시켜 발전부(300)로 전달할 수 있다. 이를 통해 발전효율을 높일 수 있다.

또한, 발전부(300)는 외부로 전기를 내보내면서 지지부(100)의 내부로 물이 들어오지 않도록 하는 송전부(미도시)를 추가로 포함 할 수 있다.

또한, 상술하였듯 물이 흐르는 방향으로 중심부가 휘어진 복수의 블레이드(212)는 지지부(100)의 회전홈(120)에 채워진 물에 의한 저항을 휘어진 형상으로 인해 줄일 수 있다.

또한, 수로(10)에 적어도 하나 이상이 설치되는 지지부(100)는, 물이 지지부(100)를 통과하기 전에 물이 수로(10)를 차지하는 단면적을 70% 내지 50%로 줄인다. 즉, 수로(10)에 설치된 지지부(100)의 총 단면적은 물이 지지부(100)를 통과하기 전에 수로(10)를 자치하던 단면적의 30% 내지 50%를 차지하며, 바람직하게는 40%를 차지한다.

도 7 내지 8에 도시된 바와 같이, 수류터빈 시스템(2000)은 수로 측면부(11)에 복수로 설치될 수 있고, 수로 하부(12)에 복수로 설치될 수 있다. 수로 하부(12)에 복수로 설치되는 경우 도 8에 도시된 바와 같이 경사부(110)의 시작부분이 이어지는 형태로 설치될 수 있다. 이 같은 설치로 수류터빈 시스템(2000)은 유선형으로 물의 저항을 줄일 수도 있다. 혹은 수류터빈 시스템(2000)은 터빈부(200)가 마주보도록 설치되거나 경사부(110)가 동일한 방향 향하도록 설치될 수도 있다. 이러한 설치 방식들을 통해 다양한 조건을 가진 수로(10)에 설치가 가능하다.

도 9에 도시된 바와 같이, 수류터빈 시스템(2000)은 고정부(400)를 추가로 포함할 수 있다. 고정부(400)는 수류터빈 시스템(2000)이 배치되는 수로(10)에 설치되고, 바람직하게는 수로(10)에 형성된 삽입홀에 삽입되며 고정부(400)의 형태 및 방식에 대해 제한하지 않는다.

또한, 고정부(400)는 도 1에 도시된 지지부(100)의 상부에 결합되어 지지부(100)의 상부를 고정부를 눌러주면서 급증한 유속으로 인해 구조물이 떠내려가는 것을 방지할 수 있다.

또한, 고정부(400)와 지지부(100) 간의 결합 방식에 대한 제한이 없으며, 일예로 고정부(400) 혹은 지지부(100)의 일측에 고리가 형성되며, 나머지 구성이 결합되어 고정되거나, 고정부(400)와 지지부(100)가 대응되는 구조로 형성되어 결합(끼움)에 의해 분리되지 않도록 결합될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 정면에서 바라본 수류터빈 시스템(2000)은 지지부(100)의 상부에 결합된 고정부(400)에 의해 수로(10)에 고정되고 고정된 수류터빈 시스템(2000)은 유속이 빨라진 물살에 떠내러 가지 않고 고정된다.

게다가, 상술 하였듯이 수로(10)에 고정된 지지부(100)의 총 단면적은 수로(10)를 흐르는 물이 차지하는 면적의 30~50%를 차지한다. 바람직하게는 지지부(100)의 총 단면적은 수류터빈 시스템(2000)을 통과하기 전에 물이 수로(10)를 차지하는 단면적의 30~50%를 차지한다. 이를 통해서 유속이 통과 전보다 빨라지게 되어 수류에너지를 최대치로 회수 할 수 있다.

본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

10 수로
11 수로 측면부
12 수로 하부
1000 수류터빈
100 지지부
110 경사부
120 회전홈
200 터빈부
210 회전모듈부
211 회전부
211-1 삽입홀
212 블레이드
220 회전축
2000 수류터빈 시스템
300 발전부
400 고정부

Claims (10)

1. 유체가 흐르는 수로에 설치되며,
   일측면에 경사부가 형성되고 내부가 비어 있는 지지부; 및
   상기 경사부와 이격된 위치에서 상기 지지부와 결합되며, 상기 유체의 흐름을 이용해 회전하는 터빈부;를 포함하는 수류터빈과,
   상기 터빈부의 회전축과 연결되며, 상기 터빈부의 회전을 통해 전기를 생성하는 발전부;를 포함하는 수류터빈 시스템에 있어서,
   상기 수류터빈의 지지부는 상기 경사부와 이격된 위치에 반달 형태의 회전홈이 형성되어, 상기 터빈부가 상기 회전홈에 배치되어 회전하며,
   상기 터빈부는, 상기 회전홈에 결합되어 회전하는 회전축; 및
   상기 회전축이 내부에 고정되고, 상기 회전축을 기준으로 회전하는 회전모듈부;를 포함하며,
   상기 회전모듈부는, 상기 회전축이 삽입되는 삽입홀이 형성된 회전부; 및 상기 회전부의 바깥면에 상기 회전부의 회전 방향과 수직인 방향으로 결합되는 복수의 블레이드;를 포함하여 형성되되,
   상기 복수의 블레이드는 상기 회전부의 외측에 돌출된 형태로 형성되며, 회전부의 중심으로부터 가장자리로 갈수록 단면적이 줄어들며, 복수의 블레이드는 유체가 흘러오는 방향으로 휘어진 형태로 형성되며,
   상기 지지부는 상기 수로의 측면부 및 내부에 적어도 하나 이상 설치되며, 수로의 측면부에 설치되는 지지부는 수로의 측면과 하부에 맞닿아 배치되며, 수로의 내부에 설치되는 지지부는 서로 다른 수류터빈 시스템의 지지부가 맞닿아 하나의 쌍을 이루어 배치되되, 경사부의 시작부분이 이어지는 형태로 배치되며, 상기 회전모듈부가 외측에 배치되어, 유선형을 형성하고,
   수로를 가로지르는 방향에서 상기 지지부의 총 단면적은 유체가 지지부를 통과하기 전에 수로를 자치하던 단면적의 30% 내지 50%를 차지하며,
   상기 수로의 측변부에 설치되는 지지부와 상기 수로의 내부에 설치되는 지지부의 상부에는, 수로의 외벽과 상기 수로의 측변부에 설치되는 지지부와 상기 수로의 내부에 설치되는 지지부의 상부를 동시에 가압하여 지지부의 위치를 고정하는 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수류터빈 시스템.
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