KR102521079B1 - 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치 - Google Patents

무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치 Download PDF

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이종배
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(주)비에스산업개발
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Abstract

본 발명은 수조로 유입되는 물의 와류를 기반으로 전력을 생산함에 있어, 유속에 따라 자동으로 각도 조절이 가능한 다수 개의 가이드 베인을 이용하여 회전체로 유도되는 물 유입량이 자동 조절되도록 함으로써, 회전체에 전달되는 유량 손실없이 효율적인 에너지 생산이 가능하도록 하는 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치에 관한 것이다.

Description

무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치{A SMALL HYDRO POWER GENERATION DEVICE WITH NON-MOTORIZED ANGLE ADJUSTMENT GUIDE VANES}
본 발명은 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 수조로 유입되는 물의 와류를 기반으로 전력을 생산함에 있어, 유속에 따라 자동으로 각도 조절이 가능한 다수 개의 가이드 베인을 이용하여 회전체로 유도되는 물 유입량이 자동 조절되도록 함으로써, 회전체에 전달되는 유량 손실없이 효율적인 에너지 생산이 가능하도록 하는 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 저낙차 저유량(혹은 소유량)에 기반한 전력 생산 방식은 유입부를 통해 유입되는 물이 수조의 오리피스 분지 내에서 회전하여 와류를 형성하게 되고, 이렇게 형성되는 와류에 의해 회전체를 회전시킴으로써 전력을 생산하게 된다. 이때, 수조 하측의 구멍으로부터 공기가 유입됨에 따라 에어 코어(Air core)가 발생되면서 중력에 의해 회전체의 회전이 가속화된다.
하지만, 대부분의 유입부는 수조의 내벽을 따라 물이 흘러 와류를 형성할 수 있도록 구성되기 때문에, 물의 흐름이 원형이 아닌 타원형을 이루면서 회전체(블레이드)에 심한 유동을 발생시키게 된다. 이러한 유동으로 인해 물이 흔들리면서 회전체의 회전력(토크)에 영향을 미치게 된다.
뿐만 아니라, 물의 흐름이 수조의 내측에 한곳에 집중됨에 따라 회전체의 파손 및 샤프트 축으로 연결된 발전기 베어링의 수명에도 영향을 미치게 되고, 이는 결과적으로 발전기 전력 생산량에 영향을 준다는 점에서 이로 인한 효율성 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있었다.
이러한 점을 해결하기 위하여, 종래에는 물의 유입부에 물의 흐름을 발생시켜 회전체에 균일한 유동이 가해지도록 하는 기술이 개발되었지만, 이는 수조 내부에 방사형의 벤추리(venturi)를 설치하여 초기부터 회전시켜야 한다는 점에서 비용 상승에 대한 문제점과, 대형화가 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.
한국등록특허 제10-2079827호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위함으로써, 수조로 유입되는 물의 와류를 기반으로 전력을 생산함에 있어, 유속에 따라 자동으로 각도 조절이 가능한 다수 개의 가이드 베인을 이용하여 회전체로 유도되는 물 유입량이 자동 조절되도록 함으로써, 회전체에 전달되는 유량 손실없이 효율적인 에너지 생산이 가능하도록 하는 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치는 물의 유입부(111) 및 유출부(112)를 포함하는 오리피스(orifice)형 수조(110), 상기 수조(110)의 중심부에 설치되며, 물의 와류에 의해 회전하는 회전체(120), 상기 회전체(120)와 연결되며, 상기 회전체(120)에 의해 생성되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기(130) 및 상기 수조(110) 내측에서 상기 회전체(120)의 측면 둘레를 따라 방사상으로 마련되며, 상기 유입부(110)를 통해 유입되는 물이 상기 회전체(120)에 전달되도록 유도하되, 유속 증가 시 상기 회전체(120)와 이루는 각도 조절이 가능하도록 마련되는 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)는 일정 간격으로 서로 이격 설치된 상측 및 하측 플레이트(141, 142), 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142) 사이에서, 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)에 회전축(143a)을 통해 회동이 가능하도록 연결되는 다수 개의 가이드 베인(143) 및 상기 상측 플레이트(141)와 상기 가이드 베인(143)을 서로 연결하는 연결부재(144)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회전축(143a)은 서로 다른 극성을 가지는 두 개의 자성체들이 원기둥 형상을 가지도록 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결부재(144)의 일측에는 상기 회전축(143a)이 삽입되는 회전축 삽입홀(144a)이 마련되며, 상기 회전축 삽입홀(144a)의 내측에는 서로 다른 극성을 가지는 두 개의 자성체들이 고리 형상을 가지도록 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 다수 개의 가이드 베인(143)은 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)의 내측을 향해 눕혀진 상태를 유지하되, 유속 증가 시 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)의 외측을 향해 펼쳐지고, 유속 감소 시 상기 회전축(143a)과 회전축 삽입홀(144a) 간의 동일 극성에 작용하는 척력(repulsive force)에 의해 상기 회전축(143a)이 회전하게 되면서 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)의 내측을 향해 회동되어 다시 눕혀질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하측 플레이트(142)는 상기 수조(110)의 내측에 고정된 상태이고, 상기 상측 플레이트(141)는 상기 회전축(143a)을 통해 각각의 가이드 베인(143)과 연결되되, 상기 수조(110) 의 내측에서 상기 하측 플레이트(142)를 기준으로 회동이 가능하도록 마련될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상측 플레이트(141)의 회동 시, 모든 가이드 베인(143)이 동시에 회동될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연결부재(144)의 일측은 상기 상측 플레이트(141)에, 타측은 상기 가이드 베인(143)의 회전축(143a)에 각각 회동 가능하도록 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상측 플레이트(141)에는 중심부 방향으로 상기 연결부재(144)와 연결되기 위한 돌출부(141-1)가 내측 중심부 방향으로 돌출 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가이드 베인(143)은 가장자리가 유선형으로 형성된 타원기둥 형상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수조(110)는 상측에서 하측 방향으로 갈수록 내경이 좁아지는 원기둥 형상일 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 다수 개가 다단으로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 자력을 통해 각도 조절이 가능한 다수 개의 가이드 베인을 이용하여 회전체로 유도되는 물 유입량이 자동 조절되도록 함으로써, 회전체에 전달되는 물의 손실없이 효율적인 에너지 생산이 가능한 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 와류 발생을 통해 물의 오존 농도를 저감할 수 있으며, 이를 어로 대용으로 활용할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 초기 물 흐름을 강제적으로 발생시키기 위한 별도의 설비가 불필요하기 때문에 대형화 시에도 비용이 절감될 수 있는 이점을 가진다.
또한 별도의 동력원 없이도 자성체의 자력을 이용하여 다수 개의 가이드 베인의 각도를 영구적으로 조절할 수 있다는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치(100)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)를 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)의 분해도이다.
도 4는 가이드 베인(143)에 마련된 회전축(143a) 및 이를 이루는 자성체 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 연결부재(144)에 마련된 회전축 삽입홀(144a) 및 이를 이루는 자성체 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 유속에 의해 가이드 베인(143)이 펼쳐지는 경우, 회전축(143a)과 회전축 삽입홀(144a)에 마련된 자성체들에 작용하는 척력을 나타낸 개념도이다.
도 7은 유속에 따른 가이드 베인 장치(140)의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치(100)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치(100)는 크게 유입부(110) 및 유출부(112)를 포함하는 수조(110), 수조(110)의 중심부에 설치되는 회전체(120), 회전체(120)의 회전력을 기반으로 전력을 생산하는 발전기(130) 및 회전체(120)로 유입되는 물의 유입량을 능동적으로 조절할 수 있는 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
수조(110)는 물이 유입되는 유입부(110), 유출부(112)와 함께 중심부에 오리피스 분지를 포함하여 구성된다. 따라서, 유입부(110)를 통해 유입된 물은 오리피스 분지의 내벽을 따라 흐르면서 와류를 형성하게 되고, 하측에 형성된 구멍을 통해 유출부(112)로 빠져나가게 된다. 이러한 와류는 회전체(120)의 회전력을 발생시키게 되며, 발생된 회전력은 발전기(130)의 전력 생산을 위한 동력원이 된다.
이때, 수조(110) 하측에 형성된 구멍을 통해 공기가 유입됨으로써 회전체(120)는 더욱 큰 회전력을 받게 되며, 이때 중심부에 에어 코어가 발생됨에 따라, 물의 중력가속도에 의해 회전체(120)의 회전상태가 더욱 가속화 된다.
이러한 수조(110)의 형상은 제한되지 않지만, 일반적으로는 상측에서 하측으로 갈수록 내경이 점점 좁아지는 원기둥 형상이 될 수 있다.
회전체(120)는 수조(110)의 하측 중심부에 설치될 수 있으며, 물의 와류에 의해 일측 방향으로 회전이 가능하도록 마련된다. 회전체(120)의 회전 에너지는 발전기(130)로 전달되며, 발전기(130)는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하게 된다. 여기에서, 회전체(120)의 블레이드 형상 및 개수는 제한되지 않는다.
발전기(130)는 회전체(120)의 상측에 마련되며, 회전체(120)의 회전에 의해 생성되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 역할을 한다.
이에 관해 살펴보면 다음과 같다.
먼저 유입부(111)를 통해 물이 유입되면, 유입된 물은 수조(110) 내부벽을 타고 회전하면서 내려오게 된다. 이때 회전력에 의해 수조(110)의 내측 하부면에 형성된 홀을 통해 공기가 올라오면서 에어 코어(air core)가 발생된다. 이때 에어 코어에 의해 물이 중심부에서 외측 방향으로 밀려나게 된다.
한편, 이러한 수조(110), 회전체(120) 및 발전기(130)의 구조는 기존의 공지된 기술이 적용 가능한 바, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)는 수조(110) 내에서 회전체(120)의 측면 둘레를 따라 방사상으로 마련됨에 따라 유입부(110)를 통해 유입되는 물이 회전체(120)에 보다 원활하게 전달되도록 유도하며, 특히 유속 증가 시 자동으로 회전체(120)와 이루는 각도가 조절되도록 펼쳐지는 구조를 가지게 된다. 이에 관해서는 도 2 내지 도 6을 통해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)를 보다 구체적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)의 분해도이며, 도 4는 가이드 베인(143)에 마련된 회전축(143a) 및 이를 이루는 자성체 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 연결부재(144)에 마련된 회전축 삽입홀(144a) 및 이를 이루는 자성체 구조를 나타낸 도면이며, 도 6은 유속에 의해 가이드 베인(143)이 펼쳐지는 경우, 회전축(143a)과 회전축 삽입홀(144a)에 마련된 자성체들에 작용하는 척력을 나타낸 개념도이고, 도 7은 유속에 따른 가이드 베인 장치(140)의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 7을 살펴보면, 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)는 상하로 일정 간격으로 서로 이격 설치된 상측 및 하측 플레이트(141, 142), 상측 및 하측 플레이트(141, 142) 사이에서 회전축(143a)을 기준으로 회동이 가능하도록 연결된 다수 개의 가이드 베인(143) 및 상측 플레이트(141)와 상기 가이드 베인(143)을 서로 연결하는 연결부재(144)를 포함하여 구성된다.
여기에서, 하측 플레이트(142)는 수조(110) 내측에 고정된 상태이고, 상측 플레이트(141)는 다수 개의 가이드 베인(143)의 회전축(143a)을 통해 각각의 가이드 베인(143)과 연결된 상태에서 하측 플레이트(142)를 기준으로 시계방향 혹은 반시계 방향으로 일정 각도로 회동이 가능하도록 마련된다.
이러한 점은, 상측 플레이트(141)와 가이드 베인(143) 사이를 서로 연결하는 연결부재(144)가 추가로 마련되어 있기에 가능하며, 이때 연결부재(144)의 상측 말단부는 상측 플레이트(141)와, 하측 말단부는 회전축(143a)에 각각 회동이 가능한 형태로 연결된다.
따라서 어느 하나 이상의 가이드 베인(143)이 회전축(143a)을 축으로 하여 회동하게 되는 경우, 상측 플레이트(141)와 연결된 모든 가이드 베인(143)들이 동시에 동일한 각도로 회동될 수 있다. 여기에서, 회전축(143a)은 연결부재(144)의 회전축 삽입홀(144a)에 삽입된 상태에서 회전하게 된다.
상측 플레이트(141)의 회동은 별도의 동력이 필요치 않으며, 수조(110) 내측으로 유입되는 물의 빠른 유속에 의해 자동으로 가이드 베인(143)에 물에 의한 저항력이 발생되면서 자동으로 펼쳐지게 되는 것이다.
보다 구체적으로, 도 4 내지 도 6을 살펴보면 가이드 베인(143)은 회전축(143a)을 기준으로 연결부재(144)와 하측 플레이트(141, 142) 사이에서 마련된다. 이때 가이드 베인(143)은 회전축(143a)을 통해 일정 각도로 회동이 가능하게 된다.
이때, 회전축(143a)은 도 4와 같이 서로 다른 극성(S극, N극)을 가지는 두 개의 자성체들이 원기둥 형상을 가지도록 배치된다. 또한 연결부재(144)에는 이러한 회전축(143a)이 삽입되기 위한 회전축 삽입홀(144a)이 마련되며, 회전축 삽입홀(144a)에는 서로 다른 극성을 가지는 두 개의 자성체들이 고리 형상을 가지도록 배치된다.
이때, 각각의 회전축 삽입홀(144a)에 마련된 자성체들은 그 위치가 고정된 상태에 해당하며, 가이드 베인(143)의 회동 시 회전축(143a)의 특정 극성(예를 들어, S극)이 회전축 삽입홀(144a)의 동일 극성(S극)에 가까워지면서 척력이 발생하게 되고, 이에 따라 가이드 베인(143)은 본래의 자리로 복귀 회동하려는 성질을 가지게 된다.
즉, 유속이 발생되지 않거나 유속이 느린 경우에는, 가이드 베인(143)이 상측 및 하측 플레이트(141, 142)의 내측을 향해 눕혀진 상태를 유지하게 되는데, 이는 회전축(143a)과 회전축 삽입홀(144a)이 서로 다른 극성을 가지도록 위치함에 따라 인력이 발생되면서 가이드 베인(143)이 눕혀진 상태가 유지될 수 있는 것이다.
한편, 유속이 빨라지면서 가이드 베인(143)에 부딪혀 회전체(120) 방향으로 유입되는 물의 유입량이 증가되는 경우, 가이드 베인(143)은 물의 저항력에 의해 점점 외측 방향으로 돌출되면서 벌어지는 형태가 된다. 이 경우, 회전축(143a)은 가이드 베인(143)과 함께 회전축 삽입홀(144a) 내에서 회전하게 되는데, 이때 도 6과 같이 회전축(143a) 내 자성체의 특정 극성(예를 들어, S극)과 회전축 삽입홀(144a)에 마련된 자성체의 S극이 서로 가까워지면서 자연스레 척력이 발생하게 된다. 하지만 현재 유속에 의한 저항력이 더욱 센 상태이기 때문에 가이드 베인(143)은 벌어진 상태가 유지되는 것이다.
다시 유속이 느려지는 경우, 가이드 베인(143)에 가해지는 물에 의한 저항력이 점차 감소하게 되고 이때 회전축(143a) 내 자성체와 회전축 삽입홀(144a)에 마련된 자성체 간에 작용하고 있는 척력에 의해 회전축(143a)은 다시 본래 방향으로 회전하게 되면서 가이드 베인(143)은 다시 눕혀지게 되는 것이다.
이때, 본원발명의 이러한 가이드 베인(143)의 회동은 가이드 베인(143)을 유속에 따라 회동시키기 위한 별도의 장치가 요구되지 않으며, 유속에 의해 자동으로 그 각도가 조절될 수 있다는 점에서 물이 능동적으로 회전체(120)의 날개(블레이드)에 공급될 수 있어 큰 이점을 가지게 된다.
이러한 점은, 가이드 베인(143)에 가해지는 물의 양을 가이드 베인(143)이 자체적으로 각도 조절을 통해 조절할 수 있다는 점에서 난류 발생시 혹은 순간적으로 강하게 물이 유입되더라도 회전체(120)에 전달되는 유입량을 균일하게 할 수 있다는 점에서도 이점을 가지게 된다.
뿐만 아니라, 유속이 빨라지면 빨라질수록 가이드 베인(143)이 점점 벌어지면서 회전체(120)에는 더욱 많은 양의 유량이 전달될 수 있기 때문에, 회전체(120)의 회전력 및 토크 또한 점차 증가할 수 있어 더욱 효율적인 전기 생산이 가능하게 된다.
한편, 일 실시예에서 도면에 도시되지는 않았지만, 본 발명에 따른 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치(100)는 다수 개가 소규모 하천에서 다단으로 설치될 수 있다. 이때 각 발전기를 통해 생산되는 전력은 하나로 취합되어 저장되거나, 또는 별도의 전기 수요처로 직접 공급될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치
110: 수조
111: 유입부
112: 유출부
120: 회전체
130: 발전기
140: 각도 조절형 가이드 베인 장치
141, 142: 상측 및 하측 플레이트
141-1: 돌출부
143: 가이드 베인
143a: 회전축
144: 연결부재

Claims (5)

  1. 물의 유입부(111) 및 유출부(112)를 포함하는 오리피스(orifice)형 수조(110);
    상기 수조(110)의 중심부에 설치되며, 물의 와류에 의해 회전하는 회전체(120);
    상기 회전체(120)와 연결되며, 상기 회전체(120)에 의해 생성되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기(130); 및
    상기 수조(110) 내측에서 상기 회전체(120)의 측면 둘레를 따라 방사상으로 마련되며, 상기 유입부(110)를 통해 유입되는 물이 상기 회전체(120)에 전달되도록 유도하되, 유속 증가 시 상기 회전체(120)와 이루는 각도 조절이 가능하도록 마련되는 각도 조절형 가이드 베인 장치(140);를 포함하며,
    상기 각도 조절형 가이드 베인 장치(140)는 일정 간격으로 서로 이격 설치된 상측 및 하측 플레이트(141, 142), 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142) 사이에서, 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)에 회전축(143a)을 통해 회동이 가능하도록 연결되는 다수 개의 가이드 베인(143) 및 상기 상측 플레이트(141)와 상기 가이드 베인(143)을 서로 연결하는 연결부재(144)를 포함하고,
    상기 회전축(143a)은 서로 다른 극성을 가지는 두 개의 자성체들이 원기둥 형상을 가지도록 배치되며, 상기 연결부재(144)의 일측에는 상기 회전축(143a)이 삽입되는 회전축 삽입홀(144a)이 마련되며, 상기 회전축 삽입홀(144a)의 내측에는 서로 다른 극성을 가지는 두 개의 자성체들이 고리 형상을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    다수 개의 가이드 베인(143)은 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)의 내측을 향해 눕혀진 상태를 유지하되, 유속 증가 시 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)의 외측을 향해 펼쳐지고,
    유속 감소 시 상기 회전축(143a)과 회전축 삽입홀(144a) 간의 동일 극성에 작용하는 척력(repulsive force)에 의해 상기 회전축(143a)이 회전하게 되면서 상기 상측 및 하측 플레이트(141, 142)의 내측을 향해 회동되어 다시 눕혀지는 것을 특징으로 하는, 무동력 각도 조절형 가이드 베인이 적용된 소수력 발전장치.
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