KR102543729B1

KR102543729B1 - 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치

Info

Publication number: KR102543729B1
Application number: KR1020220030053A
Authority: KR
Inventors: 심갑보; 심규진
Original assignee: 심갑보; 심규진
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-06-14

Abstract

본 발명에 개시된 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치는, 낙하하는 물의 낙차에너지에 의해 회전하여 발전기를 구동하는 수력발전용 수차장치에 있어서, 중심에 양측방으로 회전축이 구성된 수차바디와, 상기 수차바디의 외주상에 방사상으로 형성된 수차날개와, 상기 수차바디 내에 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 균등분할하여 형성되고, 상기 복수의 수차날개 사이공간과 일대일로 대응되도록 형성되며, 상기 수차본체와 함께 연동하여 회전되도록 구성된 복수의 물탱크부를 포함하도록 구성되며, 상기 복수의 물탱크부 각각에는 상기 복수의 수차날개 사이공간 각각과 연통되는 물 출입홀이 형성된 수차본체; 상기 물 출입홀에 설치되고, 상기 수차본체에 대해 회동가능하도록 구성되며, 회전동작에 따라 상기 물 출입홀을 개폐하며, 낙하하는 물이 상기 복수의 물탱크부로 유입되거나 상기 복수의 물탱크부로부터 물이 배수되도록 하는 복수의 밸브수단; 상기 수차본체의 상부 일측방에 이격되게 설치되며, 상기 밸브수단의 개방을 안내하여 물탱크부에 급수가 이루어지게 하는 급수용 캠수단; 상기 수차본체의 하부 일측방에 이격되게 설치되며, 상기 밸브수단의 개방을 유도하여, 상기 물탱크부에 수용된 물의 배수가 이루어지게 하는 배수용 캠수단;을 포함하고, 낙하하는 물에 의해, 상기 수차본체의 상부에 위치하는 상기 물탱크부에 물이 급수되어 물이 채워진 상태로 하향회전되고, 상기 수차본체의 하부에 위치하는 상기 물탱크부에서 물이 배수되어 물이 빈 상태로 상향회전이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치{A water wheel device for hydroelectric power with a variable flywheel structure with improved rotational efficiency}

본 발명은 낙하하는 물의 낙차 에너지에 의해 회전하여 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하기 위한 수력발전용 수차장치에 관한 것으로서, 자연적으로 낙하하는 물의 낙차에너지에 의해 수차가 회전되되, 수차 내부에 방사상의 물탱크부가 구성하고 낙하하는 물이 물탱크부에 급수 및 배수가 이루어지게 하여 수차의 회전효율이 향상됨으로써 발전효율을 높일 수 있도록 개선된 형태를 갖는 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기(電氣)는 일상생활에서부터 모든 산업에 걸쳐 광범위하게 이용되는 가장 기본적인 에너지로써 인류의 생활에 없어서는 안 될 대단히 중요한 요소(factor)이다

특히, 근래 들어 첨단산업의 발달과 더불어 전기를 에너지로 사용하는 다양한 제품들이 속속 등장하면서 전기의 사용량이 급격히 증가하고 있는 바, 현대에 있어 안정적인 전력수급은 무엇보다 중요하다.

전기를 생산하기 위한 발전방식으로는 수력발전과 화력발전 및 원자력발전으로 대별할 수 있는데, 이들 중 화력발전이나 원자력 발전은 자원고갈 및 환경오염 그리고 위험성이 있다는 면에서 문제가 있어서 태양광, 풍력발전, 수력발전 등 친환경 재생에너지를 이용한 발전의 연구가 이루어지고 있다.

다만, 이러한 친환경 재생에너지를 이용한 발전 중에서 태양광발전과 풍력발전은 변덕스런 날씨(흐린 날씨, 밤시간, 바람의 유무) 등의 기후에 따라 불안정한 발전량으로 인해 전력수급의 안전성이 떨어진다는 문제가 있으며, 아울러, 저장시설(E.S.S)의 설치 공간, 비용, 화재 등의 문제가 있으며, 이에 비해, 수력발전은 매우 친환경적이고 인체에 무해한 물의 낙차를 이용하여 전력을 얻기 때문에 환경오염이 발생하지 않아 깨끗하고 친환경적인 이점이 있으며, 24시간 발전이 가능하여 계획발전이 가능하고, 다른 친환경 재생에너지 보다 에너지밀도가 높다.

이러한 수력발전은 하천이나 호수에 댐이나 보를 설치하여 물을 막아 저수시키고 수문을 개방하여 높은 위치에서 낮은 위치로 낙하하는 물의 낙차에너지로 수차를 회전시켜 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하는 것이다.

하지만, 이와 같이 물의 낙차에너지를 이용한 수력발전에서 종래의 수차장치는 단순히 낙하하는 물이 수차 베인으로 낙하하여 낙차에너지에 의해 수차가 회전하는 구조로서, 낙하하는 물을 수차가 온전히 수용하면서 회전이 일어나지 못하고 낙하하는 물의 일부가 수차 베인에서 외부로 분산되어 빠져버리거나 수차 날개의 일부면에 편중되어 하중이 전달되기 때문에 회전력이 만족할 만한 수준에 이르지 못하게 되는 문제가 있으며, 이에 수차의 회전력이 낮아지고 발전효율이 저하되는 문제가 있었다.

등록실용신안 20-0268650호 등록실용신안 20-0418822호 등록특허 10-1198303호 등록특허 10-1638142호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 낙하하는 물의 낙차에너지에 의해 회전하여 발전기를 구동시켜 전기를 생산하는 수력발전용 수차장치에서 수차 내부에 방사상의 물탱크부를 구성하고 낙하하는 물을 물탱크부에 급수하고 배수하여 수차의 회전으로 무게중심이 변화하여 계속적인 무게의 언발란스(unbalance)로 회전력과 가속도를 증폭시켜 수차의 회전력을 향상시킴으로써 발전효율을 향상시킬 수 있는 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치를 제공하는데 목적이 있다.

다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함됨은 물론이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치는, 낙하하는 물의 낙차에너지에 의해 회전하여 발전기를 구동하는 수력발전용 수차장치에 있어서, 중심에 양측방으로 회전축이 구성된 수차바디와, 상기 수차바디의 외주상에 방사상으로 형성된 수차날개와, 상기 수차바디 내에 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 균등분할하여 형성되고, 상기 복수의 수차날개 사이공간과 일대일로 대응되도록 형성되며, 상기 수차본체와 함께 연동하여 회전되도록 구성된 복수의 물탱크부를 포함하도록 구성되며, 상기 복수의 물탱크부 각각에는 상기 복수의 수차날개 사이공간 각각과 연통되는 물 출입홀이 형성되어 낙하하는 물이 상기 복수의 수차날개 사이공간을 유입되고 상기 물출입홀을 통해 상기 복수의 물탱크부 각각에 유입되어 채워지도록 구성된 수차본체; 상기 물 출입홀에 설치되고, 상기 수차본체에 대해 회동가능하도록 구성되며, 회전동작에 따라 상기 물 출입홀을 개폐하며, 물이 상기 복수의 물탱크부로 유입되거나 상기 복수의 물탱크부로부터 물이 배수되도록 하는 복수의 밸브수단; 상기 수차본체의 상부 일측방에 이격되게 설치되며, 상기 복수의 밸브수단 중 접촉되는 밸브수단의 개방을 유도하여, 개방된 물탱크부에 급수가 이루어지게 하는 급수용 캠수단; 상기 수차본체의 하부 일측방에 이격되게 설치되며, 상기 복수의 밸브수단 중 접촉되는 밸브수단의 개방을 유도하여, 상기 물탱크부에 수용된 물의 배수가 이루어지게 하는 배수용 캠수단;을 포함하고, 낙하하는 물이 상기 수차본체의 상부에 위치하는 상기 물탱크부에 급수되어 물이 채워진 상태로 하향회전되고, 상기 수차본체의 하부에 위치하는 상기 물탱크부에서 물이 배수되어 물이 비어진 상태로 상향회전이 이루어지면서 수차의 무게중심이 변화하여 지속적인 무게중심의 언발란스로 수차 회전력이 향상되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 수차본체의 회전시, 상기 복수의 밸브수단 중 상기 급수용 캠수단의 설치구간을 지나는 밸브수단은 개방이 이루어져, 상기 밸브수단의 개방이 이루어진 물탱크부에 낙하하는 물이 급수되어, 물이 채워진 물탱크부의 하중에 의해 상기 수차본체의 회전력이 증가되도록 구성될 수 있다.

상기 수차본체의 회전시, 상기 복수의 밸브수단 중 상기 배수용 캠수단의 설치구간을 지나는 밸브수단은 개방이 이루어져, 상기 밸브수단의 개방이 이루어진 물탱크부로부터 물이 배수되어, 상대적으로 가벼워진 빈 물탱크부에 의해 회전부하가 줄어든 상태로 회전이 이루어지도록 구성될 수 있다.

상기 복수의 밸브수단 각각은, 상기 수차본체에 대해 회동가능하게 설치되는 회동바; 상기 회동바의 일단에 구비되며, 상기 회동바가 제1회동위치에 있을때, 상기 물 출입홀을 차단시키고, 상기 회동바가 제2회동위치에 있을때, 상기 물출입홀을 개방시키는 밸브부재; 상기 회동바의 타단에 회전가능하게 설치되며, 상기 급수용 캠수단 또는 상기 배수용 캠수단을 타면서 상기 회동바가 상기 제2회동위치로 회동되도록 하는 롤러부재; 상기 회동바가 상기 제2회동위치에서 상기 제1회동위치에 복귀하도록 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함하도록 구성될 수 있다.

상기한 바에 따르면, 본 발명의 수차장치는 위에서 낙하하는 물이 공급되어 물의 낙차에너지에 의해 회전이 이루어지되, 낙하하는 물이 수차 내부에 분할 구성된 물 탱크부에 물이 급수되어 채워진 무거운 상태로 하향회전되고, 물탱크부에서 물이 배수되어 내부가 빈 가벼운 상태로 상향회전이 이루어져 회전력을 높이게 해주어 수차의 회전효율이 향상될 수 있고 이에 물의 낙차에너지를 이용한 수력발전의 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다.

더불어, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치의 사용개념도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치의 동작상태에 대한 무게를 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 도 1의 밸브수단의 구체적인 구성의 설치상태를 나타낸 단면도로서, 도 4은 밸브의 열림상태, 도 5는 밸브의 닫힘 상태를 나타낸 도면.
도 6는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 A부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 8은 도 6의 B부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 9는 도 6의 C부분을 확대하여 나타낸 확대도.
도 10 및 도 11은 도 6의 밸브수단의 구체적인 구성의 설치상태를 나타낸 단면도서, 도 10은 밸브의 열림상태, 도 11은 밸브의 닫힘상태를 나타낸 도면.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성 요소들이 이 같은 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만, 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치(1)에 대해 설명한다.

본 발명은 하천이나 호수 등에 설치된 댐이나 보에서 낙하하는 물의 낙차에너지로 회전하여 발전기를 구동시켜 전기를 생산하는 수력발전용 수차장치이다.

본 발명의 수차장치(1)는 댐이나 보 등의 저수시설(2)에 저수된 물을 자연 낙하시켜, 낙하하는 물을 공급받아 회전이 이루어지게 구성될 수도 있으나, 그 외에도 폭포나 경사도가 높은 하천에서 자연 낙하하는 물이 공급되어 회전이 이루어지도록 구성될 수도 있다. 즉 본 발명은 자연에 존재하는 물의 낙차에너지를 회전에너지로 변환하여 발전기의 구동이 이루어지도록 하는 물의 낙차에너지에 의한 수력발전용 수차장치에 적용될 수 있다.

본 발명의 수차장치(1)는 수차본체(20), 밸브수단(30), 급수용 캠수단(40), 배수용 캠수단(50)을 포함하도록 구성된다.

수차본체(20)는 원형 터빈형태로 이루어지며, 중심에 양측방으로 회전축(21a)이 구비되는 수차바디(21)와, 이 수차바디(21)의 외주상에 방사상으로 형성된 수차날개(22)를 포함하도록 구성된다.

본 발명의 수차본체(20)는 수력발전설비의 본체프레임(미도시)에 회전가능하게 설치될 수 있으며, 아울러, 수차본체(20)는 회전축(21a)이 수력발전설비의 발전기와 동력전달수단에 의해 연결되어 수차본체(20)의 회전에 따라 발전기의 회전구동이 이루어짐으로써 전기를 생산시키도록 구성될 수 있다.

수차바디(21)의 내측에는 회전축(21a)을 중심으로 방사상으로 균등하게 분할된 복수의 물탱크부(24)가 구성되고, 각각의 물탱크부(24)의 외면에는 이웃하는 두 수차날개(22)의 사이공간과 물탱크부(24)를 연통시키는 물출입홀(25)이 형성되어 낙수가 두 수차 날개(22)의 사이공간으로 유입되고, 물출입홀(25)을 통해 물탱크부(24)에 채워지도록 구성된다.

본 발명에서 수차본체(20)의 회전에 따라 복수의 물탱크부(24)도 함께 회전이 이루어지게 되는데, 이하의 설명에서는 도면에 도시된 바와 같이 수차본체(20)의 회전시 복수의 물탱크부(24)의 위치에 대해 상단 우측부터 수차본체(20)의 회전방향을 따라 순차적으로 제1물탱크부(24a), 제2물탱크부(24b), 제3물탱크부(24c), 제4물탱크부(24d), 제5물탱크부(24e), 제6물탱크부(24f), 제7물탱크부(24g), 제8물탱크부(24h), 제9물탱크부(24i), 제10물탱크부(24j), 제11물탱크부(24k), 제12물탱크부(24l)로 정의하여 구성에 대해 설명하도록 한다.

밸브수단(30)은 각각의 물탱크부(24)에 형성된 각각의 물출입홀(25)을 개폐가능하게 하는 개폐수단으로서, 수차본체(20)의 원주상에 균등하게 소정간격으로 설치되도록 구성된다.

밸브수단(30)은 수차본체(20)에 대해 회동가능하게 설치되어, 회동동작에 따라 물출입홀(25)을 개폐하며, 물출입홀(25)을 개방시 물이 물탱크부(24)로 유입되거나 물탱크부(24)에 수용된 물이 배수되도록 한다.

밸브수단(30)은 회동바(32), 밸브부재(33), 롤러(37), 탄성부재(38)를 포함하도록 구성된다.

회동바(32)는 서로 이웃하는 수차날개(22)의 사이공간에 설치되며, 회동바(32)의 중간부에는 힌지축(31)이 구비되고, 이 힌지축(31)이 수차본체(20)의 말단부 양측벽에 고정설치되어, 힌지축(31)을 기준으로 회동가능하도록 구성된다.

밸브부재(33)는 고무나 실리콘 등과 같은 합성수지재로 이루어질 수 있으며, 회동바(32)의 일단에 고정되도록 설치된다. 밸브부재(33)는 회동바(32)의 회동동작에 따라, 물출입홀(25)을 차단하거나 물출입홀(25)에서 이격되어 물출입홀(25)의 개방이 이루어지도록 한다.

롤러(37)는 회동바(32)의 타단 말단에 회전되게 설치되어, 급수용 캠수단(40) 또는 배수용 캠수단(50)을 타고 이동하는 경우 회동바(32)가 회동하여 밸브부재(33)가 물출입홀(25)로부터 이격되어 개방되도록 하는 구성이다. 즉, 롤러(37)가 급수용 캠수단(40) 또는 배수용 캠수단(50)을 타지 않는 구간에서는 밸브부재(33)가 물출입홀(25)을 차단하고, 롤러(37)가 급수용 캠수단(40) 또는 배수용 캠수단(50)을 타게 되면, 회동바(32)가 회전하면서 밸브부재(33)가 물출입홀(25)에서 이격되어 물출입홀(25)의 개방이 이루어지게 한다.

탄성부재(38)는 코일 스프링으로 이루어지며, 일측은 회동바(32)에 고정되고, 타측은 수차본체(20)의 일측에 고정되도록 구성되어, 밸브부재(33)가 물출입홀(25)을 개방시키도록 회동바(32)가 회동된 상태(제2회동위치)에서 밸브부재(33)가 물출입홀(25)을 차단시키도록 회동바(32)가 원위치로 회동된 상태(제2회동위치)로 복귀하도록 탄성력을 제공하도록 구성된다.

급수용 캠수단(40)은 아치형태로 이루어지며, 롤러(37)가 접촉되어 구름운동하면서 회동바(32)의 회동을 유도하여 밸브부재(33)가 물출입홀(25)을 개방시키는 위치로 이동되게 안내하는 구성이다.

본 발명에서 급수용 캠수단(40)은 수차본체(20)의 상부 일측방에 이격되게 배치되도록 설치된다. 급수용캠수단(40)은 제1캠지지대(41)와 급수용 캠부재(44)를 포함하도록 구성된다.

제1캠지지대(41)의 일측에는 고정브라켓(45)이 구비되고, 이 고정브라켓(45)은 본체프레임(미도시)에 고정설치되도록 구성될 수 있다.

급수용 캠부재(44)는 제1캠지지대(41)의 내면을 따라 고정설치되어, 수차본체(20)의 회전에 따라 각각의 밸브수단(40)의 롤러(37)가 급수용 캠부재(44)를 타고 지나면서, 해당 밸브수단(40)의 회동동작을 유도하여 밸브수단(40)이 물출입홀(25)을 개방시키도록 안내한다.

급수용 캠부재(44)는 수차본체(20)의 회전시, 수차본체(20)의 상단에 위치한 제1물탱크부(24a)와 수차본체(20)의 회전방향으로 제2물탱크부(24b) 및 제3물탱크부(24c)까지의 구간에 있는 밸브수단(40)의 회동동작을 유도하여 제1물탱크부(24a), 제2물탱크부(24b), 제3물탱크부(24c)에 형성된 물출입홀(25)을 개방시켜 제1물탱크부(24a), 제2물탱크부(24b), 제3물탱크부(24c)에 상부에서 낙하되는 물이 수차날개(22)를 통해 급수가 이루어지도록 구성된다.

배수용 캠수단(50)은 아치형태로 이루어지며, 롤러(37)가 접촉되어 구름운동하면서 회동바(32)의 회동을 유도하여 밸브부재(33)가 물출입홀(25)을 개방시키는 위치로 이동되게 안내하는 구성이다.

본 발명에서 배수용 캠수단(50)은 수차본체(20)의 하부 일측방에 이격되게 배치되도록 설치된다. 배수용캠수단(50)은 제2캠지지대(51)와 배수용 캠부재(54)를 포함하도록 구성된다.

제2캠지지대(51)도 제1캠지지대(41)와 마찬가지로 일측에 고정브라켓(55)이 구비되어 본체프레임에 고정되도록 구성될 수 있다.

배수용 캠부재(54)는 제2캠지지대(51)의 내면을 따라 고정설치되어, 수차본체(20)의 회전에 따라 각각의 밸브수단(40)의 롤러(37)가 급수용 캠부재(44)를 타고 지나면서, 해당 밸브수단(40)의 회동동작을 유도하여 밸브수단(40)이 물출입홀(25)을 개방시키도록 안내한다.

급수용 캠부재(54)는 수차본체(20)의 회전시, 수차본체(20)의 하부에 위치한 제5물탱크부(24e), 제6물탱크부(24f), 제7물탱크부(24g), 제8물탱크부(24h)까지의 구간에 있는 밸브수단(40)의 회동동작을 유도하여 제5물탱크부(24e), 제6물탱크부(24f), 제7물탱크부(24g), 제8물탱크부(24h)에 형성된 물출입홀(25)을 개방시켜 제5물탱크부(24e), 제6물탱크부(24f), 제7물탱크부(24g), 제8물탱크부(24h)에 채워진 물의 배수가 이루어지도록 구성된다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치의 동작에 대해 설명한다.

본 발명은 상부에서 낙하하는 물은 수차날개(22)가 형성하는 공간으로 낙하하여 유입되며, 수차날개(22)가 형성하는 공간으로 급수된 물은 밸브수단(30)에 의해 개방된 물 출입홀(25)을 통해 물탱크부(24)에 유입되어 채워지게 된다.

구체적으로, 본 발명은 제1물탱크부(24a), 제2물탱크부(24b), 제3물탱크부(24c)가 급수용 캠수단(40)이 설치된 구간을 지나면서, 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 설치된 밸브수단(30)이 급수용 캠수단(40)에 안내되어 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 형성된 물 출입홀(25)이 개방되면서 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 낙하하는 물이 채워지게 되며, 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 낙하하는 물이 채워져 무거운 상태로 수차본체(20)의 하향 회전력을 증가시키게 되며, 물이 채워진 상태로 회전한 제5물탱크부(24e), 제6물탱크부(24f), 제7물탱크부(24g), 제8물탱크부(24h)는 배수용 캠수단(50)이 설치된 구간을 지나면서 제5물탱크부(24e) 내지 제8물탱크부(24h)에 설치된 밸브수단(30)이 배수용 캠수단(50)에 안내되어 제5물탱크부(24e) 내지 제8물탱크부(24h)에 형성된 물출입홀(25)이 개방되면서 제5물탱크부(24e) 내지 제8물탱크부(24h)에 채워진 물이 배수되어 상대적으로 가벼워진 제5물탱크부(24e) 내지 제8물탱크부(24h)의 상향회전이 용이하게 이루어질 수 있다.

즉, 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에서는 낙하하는 물이 급수되어 무거워진 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)가 하향회전되면서 수차본체(20)의 회전력이 증가하게 되고, 물이 채워진 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)에서는 배수가 이루어지면서, 내부가 비워져 상대적으로 가벼워진 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)가 상향회전되어 전체적으로 회전효율이 향상되도록 구성된다.

이와 같이, 무거운 상태로 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)가 하향회전되고, 상대적으로 가벼운 상태로 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)가 회전하는 회전동작은 1 cycle에서 끝나는 것이 아니며 수차본체(20)가 회전하면서 연속적으로 일어나 지속적으로 회전효율이 향상된다.

이처럼, 본 발명은 수차본체(20) 내부에 제1물탱크부(24a) 내지 제12물탱크부(24l)로 이루어진 복수의 물탱크부(24)를 독립적으로 분할되게 구성하고, 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)가 급수용 캠수단(40)을 지날 때는 도 2 및 도 3과 같이, 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 설치된 밸브수단(30)이 개방상태가 되어 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 급수가 이루어져 무거운 상태로 하향회전되면서 회전력을 높이게 되고, 그 반대편에서는 물이 채워진 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)가 배수용 캠수단(50)을 지나면서 도 2 및 도 4와 같이, 물이 채워진 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)에 설치된 밸브수단(30)이 개방상태가 되어 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)에 채워진 물의 배수가 이루어져 가벼워진 상태로 상향회전되기 때문에 수차에 대한 회전효율이 향상되어 발전효율을 높일 수 있게 된다.

반면, 도 2 및 도 5와 같이 각각의 물탱크부(24)가 급수용 캠수단(40) 또는 배수용 캠수단(50)을 지나지 않는 제4물탱크부(24d), 제9물탱크부(24i), 제10물탱크부(24j), 제11물탱크부(24k), 제12물탱크부(24l)의 위치에서는 밸브수단(30)에 의해 물출입구(25)가 차단된 상태에서 수차본체(20)의 회전이 이루어지도록 구성된다.

한편, 낙하하는 물이 물탱크부(24)에 유입되어 채워지고 남은 물은 넘쳐서 수차날개(24) 사이에 모이게 되어 통상적인 물레방아 회전에 의한 회전력도 발생될 수 있다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 수차장치에 대해서 무게변화를 수치적으로 표현하면 다음과 같습니다.

본원발명의 수차장치는 작은 힘으로 큰 힘을 나타내는 증폭기와 같은 기능을 내는 구조로서, 상부 급수구간에서 물탱크부에 물을 채운 무거운 상태(하강구간(24a~24f)의 하중 합이 187.95Kg)로 수차가 회전하면서 눌러주고, 하부 배수구간에서 물을 비워 가벼워진 상태(상승구간 하중의 합이 47,45Kg)로 가볍게 회전하여 올라가서 계속적으로 물을 채우고 내려와서 물을 비우고 상승하는 것을 반복하면서 수차가 회전하여 가속도를 내며 내부에 항상 채워져 물의 무게(하강구간 187.98Kg + 상승구간 47,45Kg = 235.4Kg)의 Fly- wheel의 효과인 관성력의 보존으로 회전력이 유지되는 구조입니다.

한편, 도 2와 같이, 본 발명은 각각의 물탱크부(24)에는 급수 및 배수시 물탱크부(24)의 기포층의 공기를 빼내 원활한 급수 및 배수가 이루어지도록 하는 에어벤트홀(61,63)이 형성되도록 구성될 수 있다.

이하, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치에 대해 설명한다.

제 2 실시 예에 따른 수차장치는 제 1 실시 예에 비해 밸브수단(30')의 설치구조에만 차이가 있을 뿐, 나머지 구성은 제 1 실시 예와 동일하므로 차이가 있는 구성에 대해서만 자세히 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 설명은 생략하도록 한다.

제 1 실시 예에서 밸브수단(30)은 서로 이웃하는 두 수차날개(22) 사이에 설치되는 것이었으나, 제 2 실시 예에서 밸브수단(30')은 두 수차날개(22) 사이를 통해 물탱크부(24)에 급수 및 배수가 용이하게 이루어지도록 밸브수단(30')이 두 수차날개(22) 사이공간에 설치되는 것이 아니라, 수차본체(20)의 측부에 설치되고, 밸브부재(33)는 물탱크부(24)의 내측에 설치되도록 구성된다는 점에서 차이가 있다.

구체적으로 밸브수단(30')은 회동바(32), 밸브부재(33), 롤러(37), 탄성부재(38)를 포함하도록 구성된다.

회동바(32)는 물탱크부(24)의 측면을 관통하여 회전되게 설치된 힌지축(31)의 외측단에 설치되어, 수차본체(20)에 대해 회동가능하게 구성된다. 이때, 힌지축(31)의 내측단은 물탱크부(24)의 내부에 배치되고, 이 내측단에는 밸브지지대(32a)가 물 출입홀(25)을 향해 연장되도록 구성된다.

밸브부재(33)는 밸브지지대(32a)의 말단에 형성되고, 롤러(37)는 회동바(32)의 일단에 구성되며, 탄성부재(38)는 회동바(32)의 타단과 수차본체(20)의 외면 일측을 연결하도록 구성된다.

제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)는 급수용 캠수단(40)의 설치구간을 지날 때, 도 6, 도 7 및 도 10과 같이, 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 설치된 밸브수단(30)의 회동바(32)가 회동하여 물 출입홀(25)의 개방이 이루어지고, 수차본체(20)가 회전되면서 제1물탱크부(24a) 내지 제3물탱크부(24c)에 순차적으로 낙하하는 물의 급수가 이루어져 무거운 상태로 하향회전되면서 회전력을 높이게 되고, 그 반대편에서는 물이 채워진 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)이 배수용 캠수단(50)을 지나면서, 도 6 , 도 8 및 도 9와 같이 물이 채워진 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)에 설치된 밸브수단(30)이 개방상태가 되어 물이 채워진 제5물탱크부(24f) 내지 제8물탱크부(24h)에 채워진 물의 배수가 이루어져 가벼워진 상태로 상향회전되기 때문에 수차에 대한 회전효율이 향상되어 발전효율을 높일 수 있게 된다.

반면, 도 6, 도 9 및 도 11과 같이 각각의 물탱크부(24)가 급수용 캠수단(40) 또는 배수용 캠수단(50)을 지나지 않는 제4물탱크부(24d), 제9물탱크부(24i), 제10물탱크부(24j), 제11물탱크부(24k), 제12물탱크부(24l) 위치에서는 밸브수단(30)에 의해 물출입구(25)가 차단된 상태에서 수차본체(20)의 회전이 이루어지도록 구성된다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직할 실시 예와 관련하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물도 본 발명의 범주에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

20...수차본체
21...수차바디
22...수차날개
24...물탱크부
25...물출입홀
30...밸브수단
32...회동바
33...밸브부재
37...롤러
38...탄성부재
40...급수용 캠수단
50...배수용 캠수단

Claims

낙하하는 물의 낙차에너지에 의해 회전하여 발전기를 구동하는 수력발전용 수차장치에 있어서,
중심에 양측방으로 회전축이 구성된 수차바디와, 상기 수차바디의 외주상에 방사상으로 형성된 수차날개와, 상기 수차바디 내에 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 균등분할하여 형성되고, 상기 복수의 수차날개 사이공간과 일대일로 대응되도록 형성되며, 상기 수차본체와 함께 연동하여 회전되도록 구성된 복수의 물탱크부를 포함하도록 구성되며, 상기 복수의 물탱크부 각각에는 상기 복수의 수차날개 사이공간 각각과 연통되는 물 출입홀이 형성되어 낙하하는 물이 상기 복수의 수차날개 사이공간을 유입되고 상기 물출입홀을 통해 상기 복수의 물탱크부 각각에 유입되어 채워지도록 구성된 수차본체;
상기 물 출입홀에 설치되고, 상기 수차본체에 대해 회동가능하도록 구성되며, 회전동작에 따라 상기 물 출입홀을 개폐하며, 물이 상기 복수의 물탱크부로 유입되거나 상기 복수의 물탱크부로부터 물이 배수되도록 하는 복수의 밸브수단;
상기 수차본체의 상부 일측방에 이격되게 설치되며, 상기 복수의 밸브수단 중 접촉되는 밸브수단의 개방을 유도하여, 개방된 물탱크부에 급수가 이루어지게 하는 급수용 캠수단;
상기 수차본체의 하부 일측방에 이격되게 설치되며, 상기 복수의 밸브수단 중 접촉되는 밸브수단의 개방을 유도하여, 상기 물탱크부에 수용된 물의 배수가 이루어지게 하는 배수용 캠수단;을 포함하고,
낙하하는 물이 상기 수차본체의 상부에 위치하는 상기 물탱크부에 급수되어 물이 채워진 상태로 하향회전되고, 상기 수차본체의 하부에 위치하는 상기 물탱크부에서 물이 배수되어 물이 비어진 상태로 상향회전이 이루어지면서 수차의 무게중심이 변화하여 지속적인 무게중심의 언발란스로 수차 회전력이 향상되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치.
제 1 항에 있어서,
상기 수차본체의 회전시, 상기 복수의 밸브수단 중 상기 급수용 캠수단의 설치구간을 지나는 밸브수단은 개방이 이루어져, 상기 밸브수단의 개방이 이루어진 물탱크부에 낙하하는 물이 급수되어, 물이 채워진 물탱크부의 하중에 의해 상기 수차본체의 회전력이 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치.
제 2 항에 있어서,
상기 수차본체의 회전시, 상기 복수의 밸브수단 중 상기 배수용 캠수단의 설치구간을 지나는 밸브수단은 개방이 이루어져, 상기 밸브수단의 개방이 이루어진 물탱크부로부터 물이 배수되어, 상대적으로 가벼워진 빈 물탱크부에 의해 회전부하가 줄어든 상태로 회전이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 밸브수단 각각은,
상기 수차본체에 대해 회동가능하게 설치되는 회동바;
상기 회동바의 일단에 구비되며, 상기 회동바가 제1회동위치에 있을때, 상기 물 출입홀을 차단시키고, 상기 회동바가 제2회동위치에 있을때, 상기 물출입홀을 개방시키는 밸브부재;
상기 회동바의 타단에 회전가능하게 설치되며, 상기 급수용 캠수단 또는 상기 배수용 캠수단을 타면서 상기 회동바가 상기 제2회동위치로 회동되도록 하는 롤러부재;
상기 회동바가 상기 제2회동위치에서 상기 제1회동위치에 복귀하도록 탄성력을 제공하는 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전효율이 향상된 가변플라이휠 구조의 수력발전용 수차장치.