KR20020080798A - 부력을 이용한 발전용 수력기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설 및 발전 경제적 가치가 크고, 갈수기 때 발전불안감에서 벗어날 수 있으며, 주변 환경피해를 최소화할 수 있고, 최소의 인력으로 운영할 수 있는 부력을 이용한 발전용 수력기관을 제공하기 위한 것으로서, 실린더 대용으로서 유입구(7a,b)에 보충수 자동개폐형 문비(6a,b)를 구비한 도크(1a,c)와; 실린더 대용으로서 배수구(8a,b)에 자동개폐형 문비(6c,d)를 구비한 도크(1b,d)와; 단일 크랭크축(2)과, 크랭크축(2)의 크랭크핀과 동수로서 상기 도크(1a∼d)에 개별적으로 수납되는 피스톤 대용의 부력체(3a∼d)와; 크랭크축(2)의 일단에 설치하는 증속기구(4)와; 증속기구(4)에 동력적으로 연결된 공지의 발전기(5)와; 제1,2 도크(1a,b)간에 자동개폐형 문비(10a,b)를 장착한 용수이월용 통수로(9a,b)와; 상기 문비(6a∼d)(10a,b)의 개폐제어용 센서(S1∼4)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

부력을 이용한 발전용 수력기관{hydroelectric power generating machine using buoyancy}

본 발명은 강, 하천, 댐 같이 상시 물흐름이 보장되는 곳에 설치한 복수의 실린더형 도크마다 설치된 부력이 큰 피스톤 대용의 부력체의 축차적 승강운동으로 크랭크축을 회전시켜 그 회전력으로 발전기를 돌려 아주 경제적으로 전기를 생산할 수 있게 한 발전용 수력기관에 관한 것이다.

통상의 수력발전설비는 규모를 불문하고 입지선정에 따른 수몰지역민의 민원대책과 막대한 댐 건설비용 조달에서부터 공기 내내 안전유지와 건설 후의 유지보수, 발전소 운영에 필요한 전문인력의 확보, 건설 후 주변 지역에 끼칠 환경문제, 발전에 필요한 적정수위의 유지, 발전의 효율성 등 고려해야 할 사항이 한 두 가지가 아니다.

이러한 점에서 앞으로는 건설 및 발전 경제성을 십분 고려하고, 갈수기의 발전불안감 해소, 주변 환경피해의 최소화, 최소의 인력으로 운영이 가능한 방향으로의 모색이 필요하다.

본 발명의 과제는 상기의 기대에 부응할 수 있는 수력발전설비를 제공하는 것이다.

이러한 과제는 본 발명에서 제안하는 다행정 내연기관과 유사한 구조의 수력기관에 의하여 달성할 수 있다. 즉, 물의 흐름이 보장되는 하천 등에 내연기관용 실린더를 대신하는 도크를 크랭크핀과 동수로 설치하고, 도크 위에는 도크와 동수로서 내연기관의 피스톤에 상응하는 부력체가 결합된 크랭크축을 설치하며, 크랭크축의 일단에는 증속기구를 장치하고 이 증속기구를 지상의 발전기에 연결하여 도크별로 순서를 정해 보충수 충전과 다른 도크로의 이월 및 배수시킴으로서 일어나는 부력체의 상승 및 하강력으로 크랭크축을 회전시켜 발전하도록 구성한 본 발명의 발전용 수력기관에 의하여 달성할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 제1 부력체가 상사점에 위치할 때를 가상한 발전용 수력기관의 기본도

도 2는 크랭크의 회전궤도

도 3은 제3 부력체가 상사점에 위치할 때의 상황도

도 4는 제2 부력체가 상사점에 위치할 때의 상황도

도 5는 제4 부력체가 상사점에 위치할 때의 상황도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1a∼d : 도크2 : 크랭크축

3a∼d : 부력체4 : 증속기구

5 : 발전기6a∼d,10a,b : 문비

7a,b : 유입구8a,b : 배수구

9a,b : 통수로 S14∼ : 센서

본 발명의 발전용 수력기관에 대한 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 토대로 작성한 첨부도면에 따라 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에서 처음으로 제안하는 발전용 다행정 수력기관의 구성, 즉 4행정 수력기관을 예로 든 것이다. 본 발명의 발전용 수력기관은 4행정 수력기관만을 한정하는 것은 아니다.

상기 발전용 수력기관은 복수의 도크(1a∼d)와 단일 크랭크축(2), 상기 도크(1a∼d)와 동수의 부력체(3a∼d), 그리고 증속기구(4) 및 발전기(5)를 기본으로 한다.

도크(1a∼d)는 내연기관의 실린더에 해당하며, 크랭크축(2)의 크랭크핀과 동수로 한다. 그리고 제1 도크(1a)와 제3 도크(1c)에는 자동개폐형 문비(6a,b)를 구비한 보충수 충전용 유입구(7a,b)를 설치하고, 제2 도크(1b)와 제4 도크(1d)는 내부에 들어 찬 물을 하류 하천으로 배수하기 위한 자동개폐형 문비(6c,d)를 구비한 배수구(8a,b)를 설치하여 제2,4 도크(1b,d)의 용수가 무단히 배수되지 못하게 한다. 이 경우 유입구(7a,b)는 배수구(8a,b) 보다도 높게 배치하고 배수구(8a,b)는 가장 낮은 곳에 배치하여 보충수의 유입과 용수의 배수가 원활히 이루어지도록 한다.

또, 제1 도크(1a)와 제2 도크(1b), 및 제3 도크(1c)와 제4 도크(1d)간에는 앞쪽 도크(1a,c)의 물이 뒤쪽 도크(1b,1d)로 원활히 유출되도록 통수로(9a,b)를 설치하고, 각 통수로(9a,b)에도 필요할 때만 통수시킬 자동개폐형 문비(10a,b)를 설치한다.

크랭크축(2)은 도크(1a∼d)와 동수의 크랭크핀을 가진 것으로, 모든 도크(1a∼d)의 상부를 가로지르게 가설한다.

부력체(3a∼d)는 내연기관의 피스톤에 해당하며, 중력과 부력에 의해 신속 하강 또는 부상하며 크랭크축(2)을 회전시키게 된다. 부력체(3a∼d)는 내구력이 강조되어야 하므로 내식성과 충분한 강도를 지닌 금속제로 한다. 모든 부력체(3a∼d)는 로드의 상단을 크랭크축(2)의 크랭크핀마다 하나씩 연결한다.

증속기구(4)는 크랭크축(2)의 회전수를 대폭 늘려 발전기(5)를 가동시키기 위한 것으로, 기어식이다. 발전기(5)는 아마튜어를 회전시켜 전기를 일으키는 통상의 발전기를 생각하면 된다.

한편, 크랭크축(2)의 상부에는 유입구측 문비(6a,b)와 통수로측 문비(10a,b)의 개폐작동을 제어하는 센서(S1,2)와 배수구측 문비(6c,d)의 개폐작동을 제어하는 센서(S3,4)를 설치하고, 이들 각각의 센서(S1∼4)는 도시하지 아니한 문비 자동개폐기와 지상의 제어반에 상호 유기적으로 작동하도록 전기적으로 연결한다.

다음으로, 도 2 이하의 도면을 참조하여 크랭크축(2)의 지속적 회전이 이루어지는 원리에 대하여 설명한다.이하의 설명에서 어떤 부력체든 그 부력체가 상사점에 당도한 시점은 그 도크의 수위가 최고조일 때다.

도 1에서, 제1 부력체(1a)의 로드 상단이 센서(S1)를 건드린다. 그러면 센서(S1)가 제1 도크(1a)의 문비(6a)를 작동시켜 유입구(7a)를 닫아 보충수의 유입을 차단하는 동시에, 문비(10a)로 하여금 통수로(9a)를 개방시켜 완전 배수상태에 있는 제2 도크(1b)로 제1 도크(1a)의 물을 보급한다. 제1 도크(1a)의 물이 제2 도크(1b)로 채워짐에 따라 제1 부력체(3a)는 하강행정으로 접어들고, 제2 부력체(3b)는 하사점에서 상사점을 향해 상승하게 된다. 이때, 제3 도크(1c)는 보충수가 차 오르는 과정이고 제4 도크(1d)는 배수구(8b)를 통한 배수가 이루어지는 중이다.

도 3에서, 제1 부력체(3a)가 상사점을 떠난 후 이번에는 제3 도크(1c)가 만수위에 오른다. 이때는 제3 부력체(3c)의 로드 상단이 제3 센서(S3)를 건드린다. 그러면 이 센서(S3)는 제3 도크(1c)의 문비(6b)로 유입구(7b)를 닫게 하여 보충수의 유입을 차단함과 동시에 문비(6d)로는 배수로(8b)를 닫게 해서 더 이상 배수되지 않도록 한다.

제3 부력체(1c)가 상사점을 떠나면 그 즉시 상기 센서(S3)는 문비(10b)로 통수로(9b)를 개방하여 제3 도크(1c)의 용수가 제4 도크(1d)로 유출시키며, 이때부터 제3 부력체(1c)는 하강행정, 제4 부력체(1d)는 상승행정으로 이행된다. 그리고, 제1 도크(1a)는 제2 도크(1b)로의 용수 이월이 한창 진행중이다.

도 4에서, 제3 부력체(3c)가 상사점을 떠난 후 이번에는 제2 도크(1b)가 만수위에 오른다. 이때는 제2 부력체(3b)의 로드 상단이 제2 센서(S2)를 건드린다. 그러면 센서(S2)는 문비(10a)로 통수로(9a)를 차단하여 제1 도크(1c)의 용수가 제2 도크(1b)로 이월되지 못하게 한다.

그리고, 제3 도크(1c)는 제4 도크(1d)로의 용수이월이 한창 진행중이며, 이런 가운데 제2 부력체(1b)가 상사점을 떠나면 그 즉시 상기 센서(S2)는 문비(6c)로 배수로(8a)를 개방하여 제2 도크(1b)의 용수를 배수하고, 동시에 제1 도크(1a)의 유입구(7a)를 개방하여 보충수가 채워지게 한다.

도 5에서, 제2 부력체(3b)가 상사점을 떠난 후 이번에는 제4 도크(1d)가 만수위에 오른다. 이때는 제4 부력체(3d)의 로드 상단이 제4 센서(S4)를 건드린다. 그러면 이 센서(S4)는 문비(10b)로 통수로(9b)를 차단하여 제3 도크(1c)의 용수가 제4 도크(1d)로 더 이상 이월되지 못하게 한다.

제1 도크(1a)의 보충수 유입과 제2 도크(1b)의 배수는 한창 진행중이다.

이런 가운데 제4 부력체(1d)가 상사점을 떠나면 그 즉시 상기 센서(S4)는 문비(6d)로 배수로(8b)를 개방하여 제4 도크(1d)의 용수를 배수시키는 동시에, 제3 도크(1c)의 문비(6b)로 유입구(7b)를 개방하여 보충수가 채워지게 한다.

제4 도크(1d)의 배수가 완전히 이루어진 때까지가 1행정이며, 이 같은 행정이 반복되는 동안 크랭크축(2)은 부력체(3a∼d)의 부상력과 하강력에 힘입어 회전을 하게 되고, 그 회전력은 증속기구(4)에 의해 고속 회전으로 바뀐 후 발전기(5)를 돌려 전기를 생산하게 되는 것이다.

이 과정에서 배수와 보충수의 충전이 적정 시점에서 정확히 이루어지지 않으면 크랭크축(2)의 동력손실이 감소될 우려가 있다. 그러므로 제2,4도크(1b,d)의 배수와 제1,3 도크(1a,c)의 보충수 충전은 부력체(1b,d) 및 (1a,c)가 최적 위치에서 다음 행정을 개시할 수 있도록 센서(S2,4)(S1,3)의 위치를 정확히 설정할 필요가 있다.

이와함께 지속적으로 크랭크축(2)을 회전시켜 발전동력을 효율적으로 얻으려면 제2,4 도크(1b,d)에 설치하는 배수구(8a,b)의 위치도 최적 높이의 설정도 중요한 요소다. 배수시에는 용수의 이월시에도 부력체(1a∼d)가 항상 수면에 떠 있어야만이 물이 채워지는대로 곧장 상승하여 크랭크축(2)의 회전운동을 저해하지 않게 되기 때문이다. 배수할 때 배수량이 지나치면 크랭크축(2)의 회전운동이 순간적으로 정지되는 경향이 나타나서 부력체(1a∼d)의 재상승에 장애가 되어 지속적 회전력을 기대하기 어렵다.

본 발명에서, 단일 부력체가 하는 부력이 1000ｔ이라고 치면 4개의 부력체에서는 모두 4000ｔ의 부력이 발생한다. 이렇게 막강한 힘이 반복적으로 일어나면 어림잡아도 최대 3000ｔ 이상의 힘이 발생되며, 부력에 대응하는 저항과 크랭크축의 저항 등을 감안하더라고 1행정당 적어도 2000ｔ 이상의 힘으로 크랭크축(2)을 회전시키게 되는 것이니 그 동력이란 실로 엄청난 것이다.

2000ｔ은 적재 중량 23ｔ의 차량에 화물을 적재하면 40ｔ짜리 중기 화물자동차 50대가 내리막길을 질주할 때 제동을 걸지 아니한 것과 동일한 동력이라고 생각하면 된다. 만약, 도크에 설치된 부력체 1만ｔ이라면 네 개의 도크에서는 언제나2만ｔ 이상의 회전동력이 연이어 발생하는 것이나 마찬가지다.

이상의 설명은 4행정기관을 예로 든 것이나, 그 이하 또는 그 이상 행정기관에 적용할 수 있음은 물론이다.

이상 설명한대로 본 발명은 물의 흐름이 보장되는 하천 등에 내연기관용 실린더를 대신하는 도크를 크랭크핀과 동수로 설치하고, 도크 위에는 도크와 동수로서 내연기관의 피스톤에 상응하는 부력체가 결합된 크랭크축을 설치하며, 크랭크축의 일단에는 증속기구를 장치하고 이 증속기구를 지상의 발전기에 연결하여 도크별로 순서를 정해 보충수 충전과 다른 도크로의 이월 및 배수시킴으로서 일어나는 부력체의 상승 및 하강력으로 크랭크축을 회전시켜 발전하도록 구성한 발전용 수력기관으로서, 댐식 수력발전소에 비하면 건설 및 발전 경제성면에서 대단히 유리하다.

특히 물부족현상이 심한 갈수기에도 적량의 용수만 확보된다면 발전할 수 있어 발전수위 이하로 수위가 내려가면 곧바로 발전을 중단해야 되는 일반 댐 수력발전소에 비하면 그만큼 용수조달에 큰 어려움없이 전기를 생산할 수가 있다.

또, 저수량이 많지 않더라도 발전할 수 있어서 발전소 주변의 자연환경에 지대한 영향을 끼치는 문제로 심각한 대형 댐 발전소와는 달리 주변환경에도 그다지 영향을 끼치지 않으므로 친환경 수력발전장치라고 말할 수 있다.

Claims (1)

1. 실린더 대용으로서 유입구(7a,b)에 보충수 자동개폐형 문비(6a,b)를 구비한 도크(1a,c)와; 실린더 대용으로서 배수구(8a,b)에 자동개폐형 문비(6c,d)를 구비한 도크(1b,d)와; 단일 크랭크축(2)과, 크랭크축(2)의 크랭크핀과 동수로서 상기 도크(1a∼d)에 개별적으로 수납되는 피스톤 대용의 부력체(3a-d)와; 크랭크축(2)의 일단에 설치하는 증속기구(4)와; 증속기구(4)에 동력적으로 연결된 공지의 발전기(5)와; 제1,2 도크(1a,b)간에 자동개폐형 문비(10a,b)를 장착한 용수이월용 통수로(9a,b)와; 상기 문비(6a∼d)(10a,b)의 개폐제어용 센서(S1∼4)로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전용 수력기관.