KR102631953B1 - 수력 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 용수로 또는 도관과 같은 수로에 용이하게 설치될 수 있는 수력 발전 장치를 제공하는 것이다. 수평 로터 지지 하우징(4)이 유지체(5)에 의해 지지 환형체(2) 내측에 일체로 고정되고, 지지 환형체(2)로부터 돌출된 유지체(5)의 상부에 발전기(11)가 설치되며, 지지 환형체(2)에는 수로에 로터 지지 하우징(4)을 고정하는 부착부들(2A, 2B)이 형성된다.

Description

수력 발전 장치
[0001] 본 발명은 용수로(waterway) 또는 도수관(water conducting pipe)에 전력 발전기에 대한 로터 지지 하우징을 용이하게 배치시키는 것이 가능한 수력 발전 장치(hydraulic power generating apparatus)에 관한 것이다.
[0002] 도수관에 긴 로터 축(shaft)이 배치되고 로터 축 상에 복수의 로터들이 구비되는 전력 발전 장치가, 예를 들어, 특허문헌 1에 개시되어 있다.
특허문헌 1: JP2000-9012A
[0004] 상기에 언급된 특허문헌 1에 개시된 발명에서는, 긴 도수관 내측의 전방 및 후방에 장착 피팅(mounting fitting)들을 통해 복수의 전력 발전기들이 배치되어 있다.
이 모드에서는, 긴 도수관 내측에 전력 발전기들을 배열하는 것이 어렵다.
부가적으로, 다수의 발전기들이 서로 밀착되도록 도수관에 고정될 때, 발전기들은 수류(water flow)에 대한 저항으로 되고 도수관을 통해 유동하는 물의 속도가 감소하여, 로터의 회전 속력이 상승하지 않고 전력 발전 효율도 또한 거의 증가하지 않는다.
본 발명은 전력 발전기에 대한 로터 하우징을 측방향으로 둘러싸도록 장착 링을 설치하는 것에 의해, 그리고 장착 링을 용수로에 매달거나(hanging) 또는 그것을 긴 도수관의 중간에 연결하는 것에 의해 수력을 용이하게 발생시키는 것이 가능한 전력 발전 장치를 제공한다.
[0005] 본 발명의 특수한 특징들은 다음과 같다.
[0006] (1) 본 발명의 수력 발전 장치는, 로터를 갖는 수평 로터 지지 하우징, 로터 지지 하우징의 상부 표면 상에 직립된 유지체, 로터 지지 하우징이 고정되는 지지 링, 및 전력 발전기를 포함하고, 로터 지지 하우징은 유지체에 의해 지지 링 내에 일체로 고정되고, 전력 발전기는 지지 링으로부터 상향으로 돌출된 유지체의 상부 부분 상에 배치되고, 지지 링에는 로터 지지 하우징을 수로(water channel)에 고정하기 위한 부착부들이 형성된다.
[0007] (2) 상기 (1)에 있어서, 유지체는 원통체이고, 로터 축의 회전력을 전력 발전기에 동력전달하기 위한 동력전달 축을 포함하고, 보조 유지체를 연결하기 위한 연결부가 유지체의 상부 표면 상에 형성되는, 수력 발전 장치.
[0008] (3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 지지 링의 부착부는, 일정한 간격들로 개구된 볼트 홀들을 갖는 외향 플랜지인, 수력 발전 장치.
[0009] (4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 수로는, 수원으로부터 도수(conducting water)하기 위한 도수관이고, 지지 링은 전방 및 후방에 외향 플랜지를 갖는 전방 및 후방 도수관들 사이에 배치되고, 부착부는 도수관의 플랜지에 연결되는, 수력 발전 장치.
[0010] (5) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 수로는 용수로이고, 지지 링의 부착부에 부착된 행잉(hanging) 부재가 물 표면 상에 설치된 빔 상에 고정되는, 수력 발전 장치.
[0011] (6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 로터의 로터 축이 지지 링의 중심으로부터 하향으로 벗어난 위치에 배치되는, 수력 발전 장치.
[0012] (7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 유지체의 횡단면은, 전방이 두껍고 뒤를 향해 좁아지는 실질적으로 어류 형상인, 수력 발전 장치.
[0013] 본 발명에 따르면, 다음의 효과들이 획득될 수 있다.
[0014] 상기 (1)에 설명된 발명에 따른 수력 발전 장치에서, 로터 지지 하우징은 유지체로 지지 링 내측에 일체로 고정되고, 지지 링으로부터 돌출된 유지체에 전력 발전기가 배치되어, 하나의 전력 발전 장치가 구성된다.
이 수력 발전 장치를 용수로 또는 도수관과 같은 수로에 용이하게 부착하기 위해, 지지 링 상에 부착부가 형성된다. 지지 링의 부착부는 동일한 직경의 도수관들에 연결될 수 있고, 그것은 상이한 관 직경들의 도수관들을 연결하기 위해 상이한 전방 및 후방 직경들을 갖는 중계관을 통해 상이한 관 직경들의 도수관들에 연결될 수 있다.
예를 들어, 로터 지지 하우징이 전방 및 후방 도수관들 사이에서 수평으로 이루어지고 지지 링의 부착부들이 전방 및 후방 도수관들에 연결될 때, 로터 지지 하우징의 로터가 도수관을 통한 유수(running water)에 의해 회전되어 전기를 발생시키는 것이 가능하다.
대안적으로, 행잉 부재를 부착부들에 고정시키고 그것을 수로 상에 설치된 빔 상에 매다는 것에 의해, 전력 발전기는 수로에 용이하게 배열될 수 있다.
[0015] 상기 (2)에 설명된 발명에서는, 유지체가 원통체이기 때문에, 로터의 회전력을 전력 발전기에 동력전달하기 위한 동력전달 축이 유지체 내측에 배치될 수 있다. 보조 유지체가 유지체의 상부 표면에 연결될 수 있기 때문에, 수로의 물 표면이 낮더라도, 로터 지지 하우징은 수로 상에 설치된 빔으로부터 물까지 용이하게 매달려질 수 있다.
[0016] 상기 (3)에 설명된 발명에서는, 지지 링의 부착부들이 지지 링의 전방 및 후방에 형성된 외향 플랜지들이고 볼트 홀들이 일정한 간격들로 형성되기 때문에, 볼트들로 이 플랜지에 행잉 부재의 하부 부분에서의 고정구(fixture)를 체결하고 수로 상에 설치된 빔 상에 행잉 부재의 상부 부분에서의 고정구를 매다는 것에 의해, 전력 발전기가 수로에 용이하게 배열될 수 있다.
부가적으로, 지지 링은 전방 및 후방 도수관들 사이에 배치되고, 지지 링의 부착부는 도수관의 플랜지에 볼트들로 연결될 수 있다.
[0017] 상기 (4)에 설명된 발명에서는, 긴 도수관이 수로로서 사용되고, 전방 및 후방 플랜지들을 갖는 전방 및 후방 도수관들 사이에 지지 링이 배치되며, 부착부로서의 플랜지들이 볼트들로 연결될 때, 수원으로부터 도수하는 도수관에서 유동하는 유수에 의해 로터가 회전하여 전기를 발생시킬 수 있다.
[0018] 상기 (5)에 설명된 발명에서는, 용수로를 수로로서 사용하고 물 표면 상에 설치된 빔 상에 지지 링의 부착부에 부착된 행잉 부재의 상부 부분을 고정하는 것에 의해, 수력 발전 장치가 용수로에 용이하게 설치될 수 있다.
[0019] 상기 (6)에 설명된 발명에서는, 지지 링의 중심으로부터 하향으로 벗어난 위치에 로터 축이 배치되기 때문에, 유지체의 전면(front face)에 부딪치는 수류로 인해 유속이 감소하는 것에 대해, 로터 지지 하우징 위의 유동하는 물의 볼륨을 지지 링 내의 로터 지지 하우징 아래의 유동하는 물의 볼륨과 동일하게 하는 것에 의해, 로터에 대한 물의 유량을 동일하게 하는 것이 가능하다. 부가적으로, 수로 내의 물의 양이 감소할 때, 보다 낮은 수위의 수류가 활용될 수 있다.
[0020] 상기 (7)에 설명된 발명에서는, 유지체의 횡단면이 전방이 두껍고 뒤를 향해 좁아지는 실질적으로 어류 형상으로 형성되기 때문에, 유지체에 충돌하는 수류가 코안다 효과(Coanda effect)로 인해 고속으로 통과하여, 수류의 감속이 억제된다.
[0021] 도 1은 본 발명의 실시예의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수력 발전 장치의 사용예 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 유지체의 III-III 선을 따라 취득된 단면도이다.
도 4는 도 1의 지지 컬럼의 IV-IV 선을 따라 취득된 단면도이다.
도 5는 도 1의 블레이드의 최대 스트링(string) 길이부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 수력 발전 장치의 사용예 2의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 수력 발전 장치의 사용예 3의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 수력 발전 장치의 사용예 4의 측면도이다.
[0022] 본 발명의 실시예가 도면들을 참조하여 아래에 설명될 것이다.
[예 1]
[0023] 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수력 발전 장치(1)는, 수원으로부터의 물을 유입시키기 위한 도수관(21)과 동일한 직경을 가지며, 로터(3)가 제공된 수평 로터 지지 하우징(4)이 짧은 길이를 갖는 지지 링(2)의 내측에 수직 유지체(5)에 의해 일체로 고정된다.
[0024] 부가적으로, 로터 지지 하우징(4)의 하부 표면에는, 전후 방향으로 긴 지지판(12)이 지지 링(2)의 하부 내벽 표면들 사이에 고정된다. 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 유지체(5)는 평면도에서 실질적으로 어류 형상을 갖는 중공체이고, 도 1에 도시된 바와 같이 동력전달 축(8)이 유지체(5)의 내측에 배치되고 상부 및 하부 베어링들(5B, 5C)에 의해 피봇 지지된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 지지판(12)은 평면도에서 어류 형상이다. 유지체(5) 및 지지판(12)에 충돌하는 수류는 코안다 효과에 의해 고속으로 통과한다.
[0025] 부착부들로서 기능하는 외향 플랜지들(2A 및 2B)이 지지 링(2)의 전방 및 후방 내주 표면들로부터 돌출되고, 볼트 홀들(2C)이 도수관(12)과 연결가능하도록 외향 플랜지들(2A 및 2B)에서 일정한 간격들로 전방 및 후방 방향으로 형성된다.
[0026] 외향 플랜지들(5A, 6A)을 통해 유지체(5)의 상부 부분에 보조 유지체(6)가 연결되고, 보조 유지체(6)의 상부측 상에 전력 발전기(11)가 설치된다.
보조 유지체(6)는 수로(R)의 물 표면이 낮을 때 사용되고, 보조 유지체(6)는 물 표면이 낮지 않은 한 사용되지 않는다.
[0027] 로터 지지 하우징(4)의 내측에 수평 로터 축(7)이 배치되고, 로터 축(7)의 전방 단부 상에 로터(3)가 장착된다. 로터(3)의 허브(3A)의 원주 표면 상에 반경 방향으로 복수의 리프트-타입 블레이드들(3B)(이하, 블레이드들이라고 단순히 지칭됨)이 장착된다. 블레이드(3B)의 선단은 앞을 향해 경사진 경사부(3C)이다.
[0028] 로터 축(7)의 후단부 부분과 유지체(5) 내의 동력전달 축(8)의 하단부 부분은, 베벨 기어들(7A 및 8A)을 포함하는 동력전달 수단에 의해 링크된다. 동력전달 축(8)의 상단부는 유지체(5)의 부분에서 연결 툴(10)을 통해 보조 동력전달 축(9)에 연결되고, 보조 동력전달 축(9)의 상단부 부분은 전력 발전기(11)의 주축에 연결된다. 유지체(5) 아래에 배치된 베어링 하우징(4)의 하부 표면에는, 전후 방향으로 세장형인 판 형상의 지지판(12)이 고정된다.
[0029] 블레이드(3B)의 선단부는 전방 방향으로 약 35 도 내지 45 도만큼 경사진 경사부(3C)이다. 블레이드(3B)는 블레이드 근부로부터 블레이드 선단까지의 스트링 길이가 점진적으로 넓어지고, 최대 스트링 길이는 선회 반경의 35 내지 50 %로 설정되고 원심부에서의 물 수용 면적이 크게 설정된다. 경사부(3C)는 최대 스트링 길이부(3D)를 기점으로 하여 상류 방향으로 경사져 있다.
[0030] 블레이드(3B)의 두께는 측면도에서 블레이드 근부로부터 블레이드 선단까지 평행하고, 최대 두께는 도 5의 횡단면에 의해 도시된 바와 같이 스트링 길이의 25 내지 35 %로 설정된다.
그것이 35 %를 초과할 때, 저항이 커지고, 전면(3E) 및 배면(back face)(3F)을 따르는 유수의 속력 차이가 커지며, 회전 효율이 감소한다. 한편, 그것이 25 % 이하일 때, 배측 표면(3F)을 따라 통과하는 물의 속도 및 그것에 의한 반응이 또한 작고, 회전 효율이 증가하기 어렵다.
[0031] 블레이드(3B)가 회전할 때, 배면(3F)의 큰 팽창으로 인해, 배면(3F)을 따라 통과하는 수류가 전면(3E)을 따라 통과하는 수류보다 더 고속으로 유동하고, 반응으로서, 블레이드(3B)의 회전 속력이 증가한다.
[0032] 도 2는 수력 발전 장치(1)가 농업용 수로(R)에 사용되는 상태를 도시하는 정면도이다.
수로(R)의 물 표면 위에 설치된 빔(13) 상에 보조 유지체(6)의 상단부의 플랜지(6B)를 매다는 것에 의해 수력 발전 장치(1)가 고정된다.
[0033] 추가로, 지지 링(2)의 전방 및 후방에서의 부착부들(2A, 2B)에 행잉 부재(14)의 하부 부분에서의 고정구(14A)가 볼트들(14B) 등으로 고정되고, 행잉 부재(14)의 상부 부분에서의 고정구(14C)가 빔(13)에 고정된다.
[0034] 그 결과, 지지 링(2)은 지지 링(2)의 전방 및 후방에서의 부착부들(2A, 2B)에 고정된 행잉 부재들(14)에 의해 빔(13)에 고정되어, 로터(3)에 수압이 인가되더라도 지지 링(2)이 움직임 없이 단단히 고정된다.
[0035] 도 6은 집수관(15)이 부착부들(2A, 15A)을 서로 연결하는 것에 의해 지지 링(2)의 전면에 고정되는 사용예를 도시한다. 이 집수관(15)을 후향으로 대면하게 하는 것에 의해, 그것은 또한 후방 부분 상의 부착부(2B)에 부착될 수 있다. 이에 의해, 로터 지지 하우징(4)의 부근이 좁은 경로가 될 수 있다.
[0036] 도 7은 수력 발전 장치(1)가 수두(water head)를 갖는 장소에서 사용되는 모드를 도시하는 측면도이다. 이전 예와 동일한 부재들에는 동일한 참조 부호들을 붙이고, 설명을 생략한다. 이것은 작은 폭포와 절벽에서 수두를 활용하는 것이다.
[0037] 절벽(16)의 저지대(16A) 상에 지지 프레임(17)이 제공되고, 로터(3)가 상향으로 대면된 후에, 수력 발전 장치(1)가 고정된다. 도수관(18)은 외향 플랜지들(2A, 18A) 각각을 통해 지지 링(2) 위에 연결된다.
[0038] 도수관(18)의 상부 부분은 절벽(16)에 고정 부재(19)로 고정된다. 도수관(18)의 상부 부분에서의 관 개구는 도수로(20)와 정렬된다. 도수로(20)는 도수관(18)을 사용하여 다른 수원으로부터 유입될 수도 있거나 또는 작은 개울을 사용할 수도 있다.
[0039] 그 결과, 유량이 작더라도, 수두를 갖는 유수가 도수관(18)에 의해 수력 발전 장치(1)로 유도될 수 있어서, 도수관(18)의 관 직경이 작더라도, 수두에 의해 전력 발전 효율이 증가될 수 있다.
[0040] 도 8은 수원으로부터 목적지까지 긴 거리에 대해 물을 유입시키기 위한 도수관들(21, 22)에 대해 수력 발전 장치(1)가 사용되는 상태를 도시하는 측면도이다. 이전 예와 동일한 부재들에는 동일한 참조 부호들을 붙이고, 설명을 생략한다.
[0041] 도수관(21)은, 예를 들어, 각각의 관 당 10 m의 길이를 가지며, 수 킬로미터로 연결된다. 관 직경은, 예를 들어, 70 cm이다.
[0042] 위치가 적합한 경우, 도수관(21)이 수 킬로미터만큼 길게 배열될 수 있기 때문에, 본 발명의 수력 발전 장치(1)가, 예를 들어, 긴 도수관(21)의 매 10 m마다, 배치될 때, 1 km의 도수관(21)이 연결된다고 가정하면 100 개의 수력 발전 장치들(1)이 배열될 수 있다.
[0043] 예를 들어, 500 W의 소형 전력 발전기(11)로도, 100 개의 유닛들이 설치될 수 있는 경우, 50 kW의 안정적인 전력 발전이 가능한 전력 발전 설비가 실현된다.
[0044] 이 경우에, 도수관(21)이 자연 지형에 따라 굴곡되고 고도의 차이가 있더라도 도수관(21)은 수원으로부터 내리막 경사이어서, 유속이 변하지 않아도, 물의 중력이 상류측에서보다 하류측에서 더 크고, 그에 따라, 각각의 발전기에 의한 전력 발전 효율이 하류측에서 더 높다.
[0045] 전방 및 후방에 배열된 수력 발전 장치(1)의 로터들(3) 사이의 공간들이 10 m씩 분리될 때, 전방에 위치된 로터(3)의 회전으로 인한 난류는 후방에 위치된 로터(3)에 영향을 미치지 않는다. 경사가 큰 지리적 조건이 있는 경우, 물의 중력을 활용하는 것이 가능하여, 전방 및 후방 로터들(3, 3) 사이의 거리가 감소될 수 있다.
[0046] 도 8에 도시된 바와 같이, 도수관(21)과 지지 링(2) 사이의 연결은 부착부들(2A 및 21A)을 볼트들로 연결하는 것에 의해 달성된다. 도수관(22)의 직경이 지지 링(2)의 직경보다 더 클 때, 도 8의 우측에 도시된 바와 같이, 상이한 전방 및 후방 직경들을 갖는 중계 링(23)을 사용하는 것에 의해, 지지 링(2) 및 도수관(22)은 관 직경들이 상이하더라도 연결될 수 있다.
[0047] 외향 플랜지들이 지지 링(2)의 부착부들(2A 및 2B)로서 도시되지만, 예를 들어, 수전 조인트(faucet joint) 또는 다른 알려진 연결 방법이 사용될 수 있다. 도 1에서, 유지체(5)는 수직이지만, 경사가 큰 장소에서는, 유지체(5)가 수평 상태로 결합될 수 있다.
[0048] 본 발명은 수원으로부터의 물을 유입시키는 기존의 또는 새로운 도수관에 연결하는 것에 의해 전력 발전을 위한 로터를 용이하게 배치시키는 것이 가능한 수력 발전기에 관한 것이고, 부가적으로, 용수로에 용이하게 배치시키고 수로의 물을 효율적으로 사용하는 것이 가능한 전력 발전 설비가 실현된다.
[0049] 1 수력 발전 장치
2 지지 링
2A, 2B 부착부(외향 플랜지)
2C 볼트 홀
3 로터
3A 허브
3B 리프트-타입 블레이드
3C 경사부
3D 최대 스트링 길이부
3E 전면
3F 배면
4 로터 지지 하우징
5 유지체
5A 외향 플랜지
6 보조 유지체
6A 외향 플랜지
6B 플랜지
7 로터 축
7A 베벨 기어
8 동력전달 축
8A 베벨 기어
9 보조 동력전달 축
10 연결 툴
11 전력 발전기
12 지지판
13 빔
14 행잉 부재
14A 고정구
14B 볼트
14C 고정구
15 집수관
15A 부착부
16 절벽
17 지지 프레임
18 도수관
18A 부착부
19 고정 부재
20 수로
21, 22 도수관
21A, 22A 부착부
23 중계 링
23A, 23B 부착부
R 수로
W 물 표면

Claims (7)

  1. 수력 발전 장치(hydraulic power generating apparatus)로서,
    로터를 갖는 수평 로터 지지 하우징(rotor supporting housing);
    상기 로터 지지 하우징의 상부 표면 상에 직립된 유지체(holding body);
    상기 로터 지지 하우징이 고정되는 지지 링; 및
    전력 발전기를 포함하고,
    상기 로터 지지 하우징은 상기 유지체에 의해 상기 지지 링 내에 일체로 고정되고, 상기 전력 발전기는 상기 지지 링으로부터 돌출된 상기 유지체의 상부 부분 상에 배치되고, 상기 지지 링에는 상기 로터 지지 하우징을 수로(water channel)에 고정하기 위한 부착부들(attachment portions)(2A, 2B)이 형성되고,
    상기 유지체는 원통체이고, 로터 축(rotor shaft)의 회전력을 상기 전력 발전기에 동력전달하기 위한 동력전달 축(transmission shaft)을 포함하고, 제거 가능한 보조 유지체를 연결하기 위한 연결부가 상기 유지체의 상부 표면 상에 형성되어, 상기 보조 유지체가 수로의 물 표면 변동에 대응할 수 있는,
    수력 발전 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 지지 링의 부착부는, 일정한 간격들로 개구된 볼트 홀들(bolt holes)을 갖는 외향 플랜지인,
    수력 발전 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 수로는, 수원으로부터 도수(conducting water)하기 위한 도수관(water conducting pipe)이고, 상기 지지 링은 전방 및 후방에 외향 플랜지를 갖는 전방 및 후방 도수관들 사이에 배치되고, 상기 부착부는 상기 도수관의 플랜지에 연결되는,
    수력 발전 장치.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 수로는 용수로(waterway)이고, 상기 지지 링의 부착부에 부착된 행잉(hanging) 부재가 상기 용수로의 양측 뱅크(bank)들 상에 설치된 빔 상에 고정되는,
    수력 발전 장치.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 로터의 로터 축이 상기 지지 링의 중심으로부터 하향으로 벗어난 위치에 배치되는,
    수력 발전 장치.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 유지체의 횡단면은, 전방이 두껍고 뒤를 향해 좁아지는 실질적으로 어류 형상(fish shape)인,
    수력 발전 장치.
  7. 삭제
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