KR102479445B1 - 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변형 자유단을 지니는 스크류형 발전장치에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 가변형 자유단을 지니는 스크류형 발전장치는 지지단이 고정축에 대하여 회전 가능하게 구비되고, 상기 지지단에 일단이 고정된 상태로 타단은 자유단이 되도록 구조 중심축이 형성되는 구조부; 상기 구조 중심축이 관통하도록 슬리브가 구비되고, 상기 슬리브의 외주면에 나선형으로 스크류 날개가 형성되는 스크류형 블레이드; 및 상기 스크류형 블레이드의 회전력을 이용하여 동력을 생산하는 발전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 구조 중심축이 고정된 지지단이 고정축에 대하여 상대 회전 가능하게 구비되므로 시간에 따라 변화하는 유체의 흐름방향에 대응되도록 경사 각도가 가변될 수 있으므로, 최적의 발전 효율을 기대할 수 있다.

Description

가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치{Screw Generator with Variable Free End}
본 발명은 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조부의 지지단이 고정축을 중심으로 회전 가능하게 구비되고, 상기 지지단에 구조 중심축이 형성되며, 스크류형 블레이드는 구조 중심축이 관통하는 슬리브의 외주면에 나선형으로 스크류 날개가 형성되어 발전부가 상기 스크류형 블레이드의 회전력을 이용하여 동력을 생산하는 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치에 관한 것이다.
최근에는 환경과 안전에 대한 관심이 증가되면서 화석연료를 이용한 화력발전이나 원자력 발전에서 벗어나 자연 에너지를 이용하는 신재생 에너지에 대한 지원과 기술개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 일환으로 바람이나 해수와 같은 유체를 이용하여 에너지를 생산하기 위한 노력들이 이루어지고 있으나, 시시각각 변화하는 유체의 특성상 안정적인 유체 흐름을 확보하기 어렵고, 그로인해 발전 효율도 저하될 수밖에 없는 한계가 있었다.
한편, 종래의 유체를 이용한 발전방식은 프로펠러를 이용한 방식이었으나, 유체의 방향이 프로펠러의 정면으로 향하지 않으면 발전량 확보에 어려움이 있었으며, 수중 프로펠러(수차)의 경우에는 수심과 설치 환경에 따른 제약이 동반되고, 어폐류의 점착이나 염분에 의한 부식이 발생되어 발전 효율이 저하되고, 유지 관리가 어려운 문제점이 있었다.
이에 출원인은 수차의 형상을 스크류형으로 제작하여 유체의 흐름방향(유속)에 회전축이 나란하게 배치되도록 함으로써 효율적인 발전이 이루어지도록 공개특허 제10-1646659호 "자유 조절 발전 장치"(2016. 8. 2. 등록)가 제안된 바 있다.
그러나, 종래의 스크류형 수차는 회전축이 유체의 흐름방향과 나란하게 배치됨에 따라 유체와 맞닿는 전방 스크류 날개의 회전력에 전적으로 의존하는 한계가 있었으며, 후방 스크류 날개는 전방 스크류 날개에 의하여 야기되는 와류로 인하여 충분한 회전력이 확보되지 못하여 발전 효율이 급격히 저하되는 문제점이 있었다.
한편, 출원인은 특허출원 제10-2020-0011212호(이하 '선행기술문헌'이라 한다)를 출원하여 스크류형 블레이드를 이용하면서도 와류 현상에 의한 효율저감의 문제를 극복하고, 스크류형 블레이드의 길이에 비례하여 발전량을 확보할 수 있도록 유체의 흐름방향과 스크류형 블레이드의 회전축이 일정 각도를 형성하도록 설치하는 방법을 제안한 바 있다.
그러나, 바람이나 조류와 같이 유체는 시간에 따라 흐름방향이 180도 변경되는 경우가 있으나, 상기 선행기술문헌에 의한 스크류 발전장치는 회전축이 한 번 시공되면 그 방향을 가변하기 어려운 한계가 있었다. 즉, 유체의 흐름방향에 가변적으로 각도를 변경하기 어려운 단점이 있었으며, 회전축의 양 단이 구조물에 고정됨에 따라 유지 보수가 곤란하고, 회전력을 이용하여 발전함에 있어서도 충분한 효율을 확보하지 못하는 한계가 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 시간에 따라 변화하는 유체의 흐름방향에 대응되도록 각도가 가변될 수 있으며, 그럼에도 구조적 견고성과 안정성을 확보할 수 있고, 설치 시공에 효율을 기대할 수 있으며, 유지 관리가 용이하고, 발전 효율을 도모할 수 있는 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치를 제안하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치(SG)는, 지지단(11)이 고정축(12)에 대하여 회전 가능하게 구비되고, 상기 지지단(11)에 일단이 고정된 상태로 타단은 자유단이 되도록 구조 중심축(13)이 형성되는 구조부(10); 상기 구조 중심축(13)이 관통하도록 슬리브(21)가 구비되고, 상기 슬리브(21)의 외주면에 나선형으로 스크류 날개(22)가 형성되는 스크류형 블레이드(20); 및 상기 스크류형 블레이드(20)의 회전력을 이용하여 동력을 생산하는 발전부(30);를 포함한다.
또한, 상기 구조 중심축(13)이 관통하도록 회전축(40)이 구비되고, 상기 회전축(40)을 에워싸도록 스크류형 블레이드(20)의 슬리브(21)가 결합될 수 있다.
또한, 상기 발전부(30)는 슬리브(21) 또는 회전축(40)의 일측 단부에 회전력 전달부(31)가 형성되고, 상기 회전력 전달부(31)의 동력을 전달받는 회전력 수용부(32)가 형성되며, 상기 회전력 수용부(32)의 동력을 이용하여 발전하는 발전기(33)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전부(30)의 회전력 수용부(32)와 발전기(33)는 구조부(10)에 형성될 수 있다.
또한, 상기 발전부(30)의 회전력 전달부(31)는 자유단 측에 형성되고, 구조 중심축(13)에 고정된 거치 플레이트(34)에 회전력 수용부(32)와 발전기(33)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 구조부(10)는 고정 플레이트(14a)를 중심으로 한 쌍의 평행한 지지 플레이트(14b)가 형성된 케이스(14)에 고정축(12)이 구비되어 양 단이 지지 플레이트(14a)에 고정될 수 있다.
그리고 상기 구조부(10)의 고정축(12)에는 양 측에 각도 제한면(12a)이 마련되고, 상기 지지단(11)에는 걸림 리브(11a)가 형성되어 지지단(11)의 회전 각도가 유체의 흐름방향과 수직되는 방향을 중심으로 일정 각도(+θ, -θ)로 제한될 수 있다.
본 발명의 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치(SG)에 의하면, 구조 중심축이 고정된 지지단이 고정축에 대하여 상대 회전 가능하게 구비되므로 시간에 따라 변화하는 유체의 흐름방향에 대응되도록 경사 각도가 가변될 수 있다.
이로써, 유체의 흐름방향이 변화하더라도 그에 상응되도록 구조 중심축의 각도가 가변될 수 있으므로 최적의 발전 효율이 확보될 수 있다.
또한, 상기 구조 중심축은 별도로 회전됨이 없이 스크류형 블레이드가 회전하는 중심축으로서만 기능하므로 지지단에 견고하게 고정할 수 있으므로, 구조적 안정성과 견고성을 확보할 수 있다.
나아가, 상기 구조 중심축은 일단이 지지단에 고정될 뿐, 타단은 자유단으로 형성될 수 있으므로, 설치 시공에 효율을 기대할 수 있으며, 유지 관리가 용이한 이점이 있다.
뿐만 아니라, 유체에 부유하는 이물질 등이 걸리더라도 자유단으로 형성된 타단을 통하여 쉽게 제거될 수 있다.
또한, 상기 구조 중심축에 별도의 회전축을 구비하고, 흐름을 형성하는 유체와 맞닿는 부분에만 상기 회전축을 에워싸도록 스크류형 블레이드를 구비함으로써 발전 효율을 도모할 수 있다.
실시 형태에 따라서는, 회전력 전달부와 회전달 수용부를 포함하는 발전부의 위치를 유체로부터 이격시킴으로써 유체에 의한 효율의 저하를 극복하고, 부속의 부식을 방지할 수 있다.
그리고 상기 구조 중심축의 경사 각도를 최적의 효율이 발휘될 수 있는 특정 각도로 제한함으로써 발전 효율이 도모될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 발전장치를 도시한 사시도.
도 2 및 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 스크류 발전장치를 도시한 사시도.
도 4는 도 1에 따른 스크류 발전장치의 변형 실시형태를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크류 발전장치를 도시한 다면도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치(SG)를 도시한 것으로, 구조적 역할을 수행하는 구조부(10), 유체의 흐름에 따라 회전력을 발생시키는 스크류형 블레이드(20), 그리고 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전부(30)로 구성된다.
상기 구조부(10)는 지면이나 구조물에 고정 구비되어 하중을 수용 전달하는 고정축(12)에 지지단(11)이 상대 회전이 가능하도록 구비된다. 상기 지지단(11)에는 구조 중심축(13)의 일단이 고정되며, 상기 구조 중심축(13)은 후술할 스크류형 블레이드(20)가 회전될 수 있도록 중심축으로서 기능하므로, 유체에 의하여 발생되는 하중이나 스크류형 블레이드(20)의 자중은 구조 중심축(13)으로 전달되고, 상기 지지단(11)을 매개로 고정축(12)에 전달된다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 지지단(11)은 고정축(12)에 대하여 상대 회전이 가능하도록 고정축(12)을 에워싸는 형상으로 형성될 수도 있으나, 상기 지지단(11)이 내측에 회전 가능하게 구비되고, 상기 지지단(11)을 에워싸도록 외측에 고정축(12)이 고정 구비될 수도 있다.
한편, 상기 구조 중심축(13)은 지지단(11)에 의하여 회전이 가능하므로, 일방향으로 유체의 흐름방향이 형성되면 그에 종속되어 회전 각도도 자연스럽게 가변되어진다. 시간의 경과에 따라 유체의 흐름방향이 180도 변경되면 마찬가지로 구조 중심축(13)의 회전 각도도 자연스럽게 가변되어진다.
즉, 상기 구조부(10)의 고정축(12)은 유체의 흐름방향과 수직되는 방향을 중심으로 양측으로 각도 제한면(12a)이 마련되고, 상기 지지단(11)에는 걸림 리브(11a)가 형성되어 지지단(11)의 회전 각도가 유체의 흐름방향과 수직되는 방향을 중심으로 일정 각도(+θ, -θ)를 형성하는 위치로 제한될 수 있다.
본 발명의 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치(SG)는 스크류형 블레이드(20)의 회전축이 유체의 흐름방향과 특정한 경사각도를 형성하는 경우에 가장 이상적인 회전효율을 발생시킬 수 있다는 점에 착안하여 제안된 것으로, 상기 각도값(+θ, -θ)은 스크류형 블레이트(20)를 구성하는 스크류 날개(22)의 형상(헬릭스각, 외측 경사각)과 직경 등에 의하여 가변될 수 있다.
따라서, 상기 구조 중심축(13)이 고정된 지지단(11)이 고정축(12)에 대하여 상대 회전 가능하게 구비되므로 시간에 따라 변화하는 유체의 흐름방향에 대응되도록 경사 각도값(+θ, -θ)이 선택적으로 변경될 수 있다. 이로써, 유체의 흐름방향이 변화하더라도 그에 상응되도록 구조 중심축의 각도가 가변될 수 있으므로 최적의 발전 효율이 확보될 수 있다.
이때, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 지지단(11)이 고정축(12)을 에워싸는 형상으로 형성되는 실시형태에 있어서, 상기 고정축(12)의 일측에 형성된 각도 제한면(12a)을 덮고 지지단(11)의 이탈이 방지되도록 커버(12b)가 추가로 형성될 수 있다.
한편, 도 1은 본 발명의 스크류 발전장치(SG)의 구조부(10)에 형성된 구조 중심축(13)이 수평 방향으로 형성되는 경우이나, 도 2에 도시된 바와 같이 구조 중심축(13)이 수직 방향으로 형성되는 것도 가능하며, 비록 도시하지 않았으나 고정축(12)이 설치되는 바닥이나 구조물의 특성에 따라서는 경사지게 형성되는 것도 가능하다.
나아가, 상기 구조부(10)의 구조 중심축(13)은 별도로 회전됨이 없이 스크류형 블레이드(20)가 회전하는 중심축으로서만 기능하므로 지지단(11)에 견고하게 고정할 수 있으므로, 구조적 안정성과 견고성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치(SG)는 구조부(10)의 구조 중심축(13)의 일단은 상기 지지단(11)에 고정되나, 타단은 자유단이 되도록 형성되는 점에도 차별성이 존재한다. 즉, 상기 구조 중심축(13)은 캔틸레버형으로 제작되므로, 유체의 흐름에 의하여 이물질이 스크류형 블레이드(20)에 걸리는 경우에도 자유단을 통하여 쉽게 제거될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 구조 중심축(13)은 일단이 지지단(11)에 고정될 뿐, 타단은 자유단으로 형성될 수 있으므로 설치 시공에 효율을 기대할 수 있으며, 자유단을 통하여 각종 부재를 분리할 수 있으므로 유지 관리가 용이한 이점이 있다.
한편, 상기 스크류형 블레이트(20)는 상기 구조 중심축(13)이 관통하도록 슬리브(21)가 구비되고, 상기 슬리브(21)의 외주면에 나선형으로 스크류 날개(22)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 슬리브(21)의 길이와 외주면에 형성되는 스크류 날개(22)의 개수나 크기 등은 설치환경에 따라 적절히 설계될 수 있다.
또한, 상기 스크류형 블레이드(20)의 회전력은 발전부(30)의 회전력 전달부(31)와 회전력 수용부(32)를 거쳐 발전기(33)에 전달됨으로써 발전할 수 있다. 이때, 상기 발전부(30)는 가급적 수중과 같은 유체로부터 이격 배치되는 것이 바람직하며, 이로써 유체에 의한 마찰 저항을 감소시켜 발전 효율을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 부속의 산화 부식을 방지할 수 있게 된다.
일 실시예로, 상기 발전부(30)는 슬리브(21)의 일측 단부에 형성되는 회전력 전달부(31)와 회전력 수용부(32)는 기어 뭉치로 제작될 수 있으며, 도시하지 않았으나 풀리나 스프로킷으로 제작되어 벨트나 체인에 의하여 동력을 전달할 수도 있다.
이때, 상기 발전부(30)의 회전력 수용부(32)와 발전기(33)는 구조부(10)에 형성될 수도 있으나, 유체가 수중인 경우에는 상기 발전부(30)의 회전력 전달부(31)는 자유단 측에 형성되어 수면밖으로 노출되도록 형성될 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 구조 중심축(13)에 고정된 거치 플레이트(34)에 회전력 수용부(32)와 발전기(33)가 형성되어 발전부(30)가 전체적으로 수면밖에 배치되도록 함이 바람직하다.
한편, 본 발명의 가변형 자유단을 지니는 스크류 발정장치(SG)는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 구조 중심축(13)이 관통하도록 회전축(40)이 추가적으로 구비되고, 상기 회전축(40)을 에워싸도록 스크류형 블레이드(20)의 슬리브(21)가 결합될 수 있다.
이때, 수면밖으로 노출된 상기 회전축(40)의 상단에 회전력 전달부(31)가 형성되고, 수중에 구비되는 부분에만 스크류형 블레이드(20)가 결합되어 불필요한 자중을 감소시켜 발전 효율을 도모할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 구조부(10)의 고정축(12)은 지주형으로 높게 형성하고, 상기 수면밖으로 노출된 고정축(12)의 상단에 발전부(30)의 회전력 수용부(32)와 발전기(33)를 구비할 수 있다. 다만, 상기 스크류형 블레이드(20)의 슬리브(21)에 회전력 전달부(31)는 수중에 구비되므로, 상기 회전력 전달부(31)와 회전력 수용부(32) 사이에 양 단에 기어가 구비된 기어축(35)이 추가적으로 구비될 수 있다.
나아가, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 구조부(10)는 지면 또는 구조물에 고정되는 케이스(14)를 추가적으로 구비할 수 있다. 상기 케이스(14)는 고정 플레이트(14a)를 중심으로 한 쌍의 평행한 지지 플레이트(14b)가 형성된 케이스(14)에 고정축(12)이 구비되어 양 단이 지지 플레이트(14b)에 고정될 수 있다.
특히, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 케이스(14)는 곡면형 커버(14c)를 포함하도록 형성되어 구조 중심축(13)만이 외측으로 노출되도록 구비될 수 있다. 이때, 상기 케이스(14)에는 구조 중심축(13)이 회전할 수 있도록 슬릿(14d)이 형성될 수 있다. 상기 곡면형 커버(14c)에 의하여 그물과 같은 부유 이물질이 걸려 스크류와 얽힘에 따라 발전효율이 저하되지 않도록 미연에 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 구조부(10)에 형성된 구조 중심축(13)에 스크류형 블레이드(20)의 슬리브(21)가 관통되도록 구비한 후, 상단에 고정캡(15)을 체결하여 스크류형 블레이드(20)의 이탈을 방지할 수 있으며, 상기 고정캡(15)을 이용하여 스크류형 블레이드(20)의 조립 및 분리가 가능하고, 실시형태에 따라 구비되는 회전축(40)에도 스크류형 블레이드(20)가 체결수단을 매개로 선택적으로 위치를 달리하여 결합되거나, 유지 보수를 위해 조립 및 분리가 이루어질 수 있다.
본 발명의 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치(SG)의 실시예들을 중심으로 설명 기술하였으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다고 할 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지된 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
SG:스크류 발전장치
10:구조부 11:지지단
12:고정축 13:구조 중심축
14:케이스 15:고정캡
20:스크류형 블레이드 21:슬리브
22:스크류 날개 30:발전부
31:회전력 전달부 32:회전력 수용부
33:발전기 34:거치 플레이트
35:기어축 40:회전축

Claims (7)

  1. 지지단(11)이 고정축(12)에 대하여 회전 가능하게 구비되고, 상기 지지단(11)에 일단이 고정된 상태로 타단은 자유단이 되도록 구조 중심축(13)이 형성되는 구조부(10);
    상기 구조 중심축(13)이 관통하도록 슬리브(21)가 구비되고, 상기 슬리브(21)의 외주면에 나선형으로 스크류 날개(22)가 형성되는 스크류형 블레이드(20); 및
    상기 슬리브(21)의 일측 단부에 회전력 전달부(31)가 형성되고, 상기 회전력 전달부(31)의 동력을 전달받는 회전력 수용부(32)가 형성되며, 상기 회전력 수용부(32)의 동력을 이용하여 발전하는 발전기(33)가 구비되며, 상기 회전력 전달부(31)는 자유단 측에 형성되고, 구조 중심축(13)에 고정된 거치 플레이트(34)에 회전력 수용부(32)와 발전기(33)가 구비되어 상기 스크류형 블레이드(20)의 회전력을 이용하여 동력을 생산하는 발전부(30);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조 중심축(13)이 관통하도록 회전축(40)이 구비되고, 상기 회전축(40)을 에워싸도록 스크류형 블레이드(20)의 슬리브(21)가 결합되는 것을 특징으로 하는 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구조부(10)는 고정 플레이트(14a)를 중심으로 한 쌍의 평행한 지지 플레이트(14b)가 형성된 케이스(14)에 고정축(12)이 구비되어 양 단이 지지 플레이트(14a)에 고정되는 것을 특징으로 하는 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치.
  7. 지지단(11)이 고정축(12)에 대하여 회전 가능하게 구비되고, 상기 지지단(11)에 일단이 고정된 상태로 타단은 자유단이 되도록 구조 중심축(13)이 형성되며, 고정축(12)에는 양 측에 각도 제한면(12a)이 마련되고, 상기 지지단(11)에는 걸림 리브(11a)가 형성되어 지지단(11)의 회전 각도가 유체의 흐름방향과 수직되는 방향을 중심으로 일정 각도(+θ, -θ)로 제한되는 구조부(10);
    상기 구조 중심축(13)이 관통하도록 슬리브(21)가 구비되고, 상기 슬리브(21)의 외주면에 나선형으로 스크류 날개(22)가 형성되는 스크류형 블레이드(20); 및
    상기 스크류형 블레이드(20)의 회전력을 이용하여 동력을 생산하는 발전부(30);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 자유단을 지니는 스크류 발전장치.
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