KR200392802Y1 - 급류 수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 급류 수력발전장치를 개시한다. 본 고안은 물의 흐름방향과 직교하는 방향으로 이격 설치되며 서로 마주보는 면에 원호형의 가이드채널을 대응되게 갖는 1쌍의 교각과, 두 교각의 가이드채널에 축의 양단이 이동 가능하게 결합 지지되며 유체저항을 유도하는 다수의 날개를 외주에 일정각도 간격으로 구비하여 물의 조류력에 의해 회전하는 수차와, 가이드채널의 곡률중심상에 위치하며 수차의 회전동력에 의해 전기를 생성하는 발전기와, 수차의 회전동력을 발전기에 전달하는 동력전달수단과, 교각에 피벗 지지되어 수차를 수위변화에 따라 가이드채널을 통해 승강시킴과 함께 수차를 임의레벨의 수면위에 위치 고정시켜주는 액츄에이터를 포함하여 구성된다. 발전기는 증속기를 통해 동력전달수단과 연결되고, 액츄에이터는 수위계의 검출수위에 따라 작동된다.

본 고안은 구조가 간단하면서도 수위변화에 따른 수차의 레벨에 관계없이 수차의 회전동력을 발전기에 정확하고 안정되게 전달할 수 있다.

Description

급류 수력발전장치{Water-power generating apparatus using current energy}

본 고안은 수력발전(水力發電)에 관한 것으로서, 특히 강이나 하천 등의 급류지역에 설치하여 자연적으로 흐르는 물의 힘(current energy)에 의해 전기를 생산할 수 있도록 된 급류 수력발전장치에 관한 것이다.

주지하다시피 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 매우 중요하다.

전기를 생산하기 위한 발전방식으로는 수력발전과 화력발전 및 원자력발전이 주로 이용되고 있는데, 이들 발전방식은 막대한 비용이 소요될 뿐 아니라 환경문제 등에 직면하고 있어 시설확충에 많은 제약이 따른다.

즉, 수력발전은 댐과 같은 거대한 시설을 건설하여 물의 낙차에 의한 힘으로 터빈(turbine)을 돌려 발전기를 가동하므로 건설기간이 상당히 길고 막대한 비용과 인력이 소요됨은 물론 댐 건설로 인한 환경파괴의 문제가 있고, 화력발전은 화석연료로 물을 가열하여 발생하는 수증기로 터빈을 돌려 발전기를 가동하기 때문에 많은 연료비가 소요될 뿐 아니라 심각한 대기오염을 유발하는 문제를 안고 있다.

또한, 원자력발전은 우라늄의 핵분열시 방출되는 열에너지로 물을 가열하여 발생하는 증기로써 터빈을 돌려 발전기를 가동하는 바, 방사능 누출에 대한 안전성을 담보하기 어려울 뿐 아니라 핵폐기물 처리에 따른 환경오염 문제가 걸림돌이 되고 있다.

한편, 이와 같은 기존 발전방식들의 문제점을 감안하여 태양열이나 풍력, 지열 또는 조류력 등 자연적인 청정에너지를 그대로 이용하여 발전하는 다양한 형태의 발전방식들에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

예를 들어 대한민국 특허공고번호 제1987-2370호 및 제94-10971호와 실용신안등록번호 제20-359792호 등에는 하천수 등의 조류력을 이용하여 발전기를 구동시키는 조류발전장치들이 제시되어 있다.

그러나 이러한 종래의 조류 발전장치들은 물의 조류력에 의해 회전하는 수차(water mill)가 수위변화에 따라 수직으로 이동하는 구조이기 때문에 수차의 회전동력을 발전기에 전달하기가 상당히 어려운 문제가 있다.

즉, 수차는 수위변화에 따라 레벨이 달라지므로 수차의 회전동력을 발전기에 전달하기 위해서는 발전기 자체를 수차의 레벨변화에 대응하여 승강시키거나 또는 동력전달수단을 수차의 레벨변화에 따라 그 변화폭만큼 가변될 수 있도록 구성해야 하는 바, 장치의 구성이 상당히 복잡해지고 동력전달의 정확성을 확보하기 곤란해지는 것이다.

특히, 하천의 경우 수위가 수미터까지 변화될 수 있는데, 동력전달수단이 수위변화에 대응하도록 수미터의 가변량을 가지기는 사실상 불가하다.

또한, 특허공고번호 제94-10971호의 경우는 수차가 균형추에 지지되어 물의 부력에 의해 수면상에 떠 있기 때문에 수차가 물결에 따라 요동칠 수 있어 안정된 발전이 어렵다.

그리고 특허공고번호 제1987-2370호는 사실상 하천을 가로지르는 보(reservoir)를 설치하는 것과 같아 수차와 발전기를 장착하여 승강하는 발전기대에 대단히 큰 수압이 작용하는 바, 수량이 많아질 경우 파손의 우려가 높고 구조적으로 매우 복잡하다.

본 고안은 상술한 종래의 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 발전기를 수차의 레벨변화에 대응하도록 위치변경하거나 수차의 레벨변화에 따라 동력전달수단의 전달거리를 가변시키지 않고서도 수위변화에 따른 수차의 레벨에 관계없이 수차의 회전동력을 발전기에 정확하고 안정되게 전달할 수 있는 급류 수력발전장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 고안의 다른 목적은, 수위변화에 대응하여 수차의 레벨을 조절할 수 있으면서도 수차를 해당 수면위에 위치 고정시켜 물결에 의한 수차의 요동을 효과적으로 방지함으로써 항시 안정적으로 발전할 수 있는 급류 수력발전장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위해 본 고안에 의한 급류 수력발전장치는, 물의 흐름방향과 직교하는 방향으로 이격 설치되며, 서로 마주보는 면에 원호형의 가이드채널(guide channel)을 대응되게 갖는 1쌍의 교각; 두 교각의 가이드채널에 축의 양단이 이동 가능하게 결합 지지되며, 유체저항을 유도하는 다수의 날개를 외주에 일정각도 간격으로 구비하여 물의 조류력에 의해 회전하는 수차; 가이드채널의 곡률중심상에 위치하며, 수차의 회전동력에 의해 전기를 생성하는 발전기; 수차의 회전동력을 발전기에 전달하는 동력전달수단; 교각에 피벗(pivot) 지지되고, 수차를 수위변화에 따라 가이드채널을 통해 승강시킴과 함께 수차를 임의레벨의 수면위에 위치 고정시켜주는 액츄에이터(actuator);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 고안의 한 바람직한 특징에 의하면, 동력전달수단과 발전기 사이에 증속기를 더 구비하여 수차의 회전동력을 최대한 증대시켜 발전기에 전달함으로써 발전효율의 향상을 도모한다.

본 고안의 다른 바람직한 특징에 의하면, 수위를 검출하여 검출수위에 따라 액츄에이터를 작동시키는 수위계를 교각에 구비함으로써 수위변화에 관계없이 수차가 항상 최적의 회전력을 얻을 수 있도록 한다.

이에 따라 본 고안은, 수위변화시 수차가 발전기를 곡률중심으로 하는 원호형 가이드채널을 따라 승강하므로 종래에 비해 구조가 간단하면서도 수위변화에 따른 수차의 레벨에 관계없이 수차의 회전동력을 발전기에 정확하고 안정되게 전달할 수 있게 된다.

또한, 수차를 임의의 수면위에 위치 고정시킬 수 있어 물결에 의한 수차의 요동도 효과적으로 방지되므로 항시 안정적으로 발전할 수 있을 뿐 아니라, 수위변화에 따라 수차의 레벨이 최적으로 자동 조절되므로 발전효율을 극대화할 수 있게 된다.

그러므로 본 고안은, 급류 수력발전의 신뢰성과 안정성 향상 및 발전비용절감 등에 큰 효과를 발휘하게 된다.

이와 같은 본 고안의 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예들의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

도1 내지 도4에서, 본 고안에 의한 급류 수력발전장치는, 물의 흐름방향과 직교방향으로 서로 마주보도록 설치되는 1쌍의 교각(10)과, 이들 교각(10) 사이에 지지되어 조류력에 의해 회전되는 수차(20)와, 이 수차(20)의 회전동력으로 전기를 생성하는 발전기(30)와, 수차(20)의 회전동력을 발전기(30)에 전달하는 전동벨트(40) 및 수위변화에 따라 수차(20)의 레벨을 변화시킴과 동시에 수차(20)를 위치 고정시켜주는 액츄에이터(50)를 포함하여 구성된다.

교각(10)은 예를 들어 일정유속 이상을 갖는 하천의 양측 가장자리에 설치되며, 구조적 강도를 위해 철근콘크리트로 구성되는 것이 바람직하다. 두 교각(10)의 서로 마주보는 면에는 수위변화에 따른 수차(20)의 승강을 안내하는 원호형의 가이드채널(11)이 서로 대응하도록 구비된다.

이러한 가이드채널(11)은 별도로 구성되어 부착될 수도 있고, 도시된 바와 같이 각 교각(10)에 직접 형성될 수도 있다.

한편, 가이드채널(11)은 하천의 최저수위(L_o)와 최고수위(L_T)를 포함할 수 있는 길이를 가지며, 가능한 한 최저수위(L_o)와 최고수위(L_T)가 이루는 각이 90°이내에 위치하는 곡률로 설정되는 것이 바람직하다. 이는 장마나 태풍 등으로 최고수위(L_T)가 되더라도 발전기(30)와 기타 송전관련시설(도시하지 않음)들이 침수되지 않도록 하기 위함이다.

이에 따라 교각(10)은 액츄에이터(50)의 작동길이를 고려하여 가이드채널(11)의 상사점 위로 충분히 높게 세워지는 것이 바람직하며, 이 역시 액츄에이터(50)가 수중에 잠기지 않도록 하기 위함이다.

수차(20)는 원통형으로 구성되고, 그 회전축(21)의 양단이 두 교각(10)의 가이드채널(11)에 각각 이동 가능하게 끼워짐으로써 두 교각(10) 사이에 지지된다. 바람직하기로 수차(20)의 회전축(21) 양단에는 수위 변화시 수차(20)가 원활하게 승강이동할 수 있도록 가이드채널(11)을 따라 구름 이동하는 가이드롤러(guide roller:22)가 베어링(도시하지 않음)을 개재하여 각각 장착된다.

수차(20)의 외주에는 흐르는 물속에 진입하여 유체저항을 유발함으로써 수차(20)를 회전시키기 위한 다수의 날개(23)들이 일정각도 간격으로 구비된다. 이러한 날개(23)는 유체로부터 보다 큰 힘을 받아 수차(20)가 원활하게 회전될 수 있도록 물의 흐름 반대방향을 향해 적정 각도로 기울어지는 것이 바람직하다.

그리고 수차(20)의 회전축(21) 양 단부에는 전동벨트(40)를 연결하기 위한 구동풀리(pulley:24)가 각각 구비된다.

이와 같은 수차(20)는 내식성이 좋으면서 기계적강도가 우수한 금속, 예컨대 스테인리스로 제작될 수 있으며, 또한 기계적강도가 우수한 ABS수지 등의 엔지니어링 플라스틱으로 제작될 수도 있다.

발전기(30)는 수위변화에 따른 수차(20)의 레벨에 관계없이 전동벨트(40)를 통해 동력을 전달받을 수 있도록 교각(10)의 가이드채널(11) 곡률반경 중심 상에 위치한다. 이를 위해 교각(10)의 상류측에 캐빈(cabin:80)이 소정높이로 설치되고, 이 캐빈(80)의 내부에 발전기(30)가 설치된다.

그런데, 발전기(30)가 수차(20)와 직접 연결될 경우 그 회전수는 전적으로 물의 조류력에 의존하게 되어 일정유속 이상을 갖는 급류라 하더라도 높은 회전수를 얻기는 곤란한 바, 바람직하기로 발전기(30)는 증속기(60)를 통해서 전동벨트(40)와 연결된다.

즉, 발전기(30)는 다수의 기어(gear)들의 조합으로 이루어진 증속기(60)의 출력축에 연결되고, 증속기(60)의 입력축(61)이 전동벨트(40)의 연결을 위한 피동풀리(62)를 구비하여 교각(10)의 가이드채널(11) 곡률반경 중심에 위치하도록 캐빈(80)내에 설치되는 것이다.

액츄에이터(50)는 예를 들어 2개의 유압실린더로 구성될 수 있고, 수차(20)를 원호형 가이드채널(11)을 따라 이동시킬 수 있도록 그 후단이 각 교각(10)의 상단부에 피벗 지지된다.

액츄에이터(50)의 실린더로드(51) 선단은 수차(20)의 회전축(21) 양 단부에 베어링커플러(52)를 통해 회전 가능하게 연결된다. 이에 따라 액츄에이터(50)의 실린더로드(51) 스트로크(stroke)는 교각(10)의 가이드채널(11) 상사점과 하사점을 잇는 거리보다 길게 설정된다.

한편, 이와 같은 구성만으로도 수위의 변화에 따라 수차(20)의 레벨을 적절히 조절할 수 있지만, 보다 바람직하기로는 수위변화시 수차(20)의 레벨이 자동 조절되어 수차(20)가 최적의 회전동력을 얻을 수 있도록 도5에 도시한 바와 같이 수위를 지속적으로 검출하여 검출수위에 따라 액츄에이터(50)의 작동을 제어하는 수위계(70)를 각 교각(10)에 더 구비한다.

즉, 장마나 태풍 등의 특별한 경우를 제외하고 수위의 급격한 변화는 거의 발생되지 않으므로 필요시 수차(20)의 레벨을 수동 조작으로 조절하여도 무방하지만, 조류력에 의한 수차(20)의 회전이 최적으로 이루어져 발전효율을 높일 수 있도록 수차(20)의 레벨이 수위변화에 따라 자동으로 조절되도록 하는 것이다.

이를 위해 액츄에이터(50)는 수위계(70)에서 검출된 검출수위가 설정된 소정의 기준수위보다 높아지면 실린더로드(51)를 수축시키고, 기준수위보다 낮아지면 실린더로드(51)를 신장시키는데, 이때의 기준수위는 현재 검출수위 바로 전에 검출한 수위로 설정하는 것이 바람직하다.

이는 특정수위를 기준수위로 정할 경우 해당 수위를 벗어난 위치에서 수위변화가 일어날 경우 액츄에이터(50)가 오동작을 일으킬 수 있기 때문이다.

수위계(70)는 여러 가지가 사용될 수 있는데, 예를 들어 초당 수십회의 에코를 방사하여 수위가 비교적 빠르게 변하는 곳에 유리한 초음파식 수위계가 사용될 수 있다.

나머지 부호 53은 액츄에이터(50)의 유압을 제어하기 위한 유압유닛이다.

다음, 이와 같이 구성된 본 고안에 의한 급류 수력발전장치의 작용을 도6을 병행하여 설명하기로 한다.

도6에 실선으로 도시한 수차(20)의 레벨은 평균수위(L_A)를 나타낸 상태로, 수차(20)는 그 하단부위 일부가 수면에 잠긴 상태로 액츄에이터(50)에 의해서 안정되게 위치 고정되어 있게 된다.

따라서 물결이 요동치더라도 수차(20)는 유동되지 않고, 해당 위치에 고정되어 안정적으로 회전하게 된다.

수차(20)가 조류력에 의해 지속적으로 회전되면, 그 회전동력은 전동벨트(40)를 통해 캐빈(80)에 설치된 증속기(60)로 전달되고, 이 증속기(60)에 의해 최대의 회전수로 변환되어 발전기(30)로 전달된다.

그러면, 발전기(30)가 고속으로 회전하여 전기를 생산하고, 이렇게 생산된 전기에너지는 도시하지 않는 축전지 등에 저장되거나 송전시설을 통해 필요한 장소로 공급된다.

한편, 이 상태에서, 비가 오거나 장기간 가물어서 수위에 변화가 발생되면, 교각(10)의 상부에 설치된 수위계(70)가 이를 검출하여 액츄에이터(50)를 적절히 작동시킴으로써 수차(20)의 레벨을 조절하게 된다.

즉, 수량의 증감으로 수위가 높아지거나 낮아지면 수위계(70)가 이를 검출하여 유압유닛(53)으로 송출하고, 이에 따라 유압유닛(53)의 제어부가 검출수위와 기준수위(직전의 검출수위)를 비교하여 그 결과에 따라 액츄에이터(50)의 실린더로드(51)를 적당히 수축 또는 신장시키게 되는 것이다.

그러면, 도6에 가상선으로 나타낸 바와 같이 교각(10)에 피벗 지지된 액츄에이터(50)가 회전되면서 수차(20)가 교각(10)의 가이드채널(11)을 따라 상측 또는 하측으로 적절히 이동되어 변화된 수면상에 정확히 위치하여 고정되며, 이에 따라 수차(20)는 수위변화에 관계없이 항시 최적의 상태로 회전하게 된다.

이때, 교각(10)의 가이드채널(11)은 증속기(60)의 입력축(61)을 중심으로 하는 원호형으로 이루어져 있는 바, 수위변화에 따른 수차(20)의 레벨변화에 관계없이 수차(20)의 회전동력이 증속기(60)에 정확하고 안정되게 지속적으로 전달되게 된다.

따라서 본 고안의 급류 수력발전장치는 종래와 같이 수위변화에 따라 발전기 자체를 승강시키거나 또는 동력전달수단의 전달거리를 가변시키지 않고서도 수차(20)의 회전동력을 항시 일정하게 발전기(30)에 전달할 수 있을 뿐 아니라, 물결의 요동에도 영향받지 않고 안정적으로 발전할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 의한 급류 수력발전장치에 의하면, 수량의 증감에 따른 수위변화시 수차가 증속기의 입력축 회전중심을 곡률중심으로 하는 원호형 가이드채널을 따라 승강하므로 종래에 비해 구조가 간단하면서도 수위변화에 따른 수차의 레벨에 관계없이 수차의 회전동력을 발전기에 정확하고 안정되게 전달할 수 있게 된다.

또한, 수차를 임의의 수면위에 위치 고정시킬 수 있어 물결의 요동에 의한 수차의 유동현상도 효과적으로 방지되므로 항시 안정적으로 발전할 수 있을 뿐 아니라, 수위변화에 따라 수차의 레벨이 최적으로 자동 조절되기 때문에 발전효율을 극대화할 수 있게 된다.

특히, 대규모의 댐을 건설하지 않고서도 효율적으로 발전할 수 있어 환경파괴를 수반하지 않으면서 저비용으로 발전할 수 있다.

그러므로 본 고안은, 급류 수력발전의 신뢰성과 안정성 향상은 물론 발전비용절감 등에 크게 기여하는 매우 우수한 효과를 가진다.

도1은 본 고안에 의한 급류 수력발전장치를 개략적으로 나타낸 평면도,

도2는 도1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 개략적인 단면도,

도3은 도2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 단면도,

도4는 도3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 취한 단면도,

도5는 본 고안에 의한 급류 수력발전장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 발췌 측면도,

도6은 본 고안에 의한 급류 수력발전장치의 작동상태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 교각 11: 가이드채널

20: 수차 21: 회전축

22: 가이드롤러 23: 날개

24: 구동풀리 30: 발전기

40: 전동벨트 50: 액츄에이터

51: 실린더로드 53: 유압유닛

60: 증속기 62: 피동풀리

70: 수위계 80: 캐빈

L_T: 최고수위 L_O: 최저수위

Claims (3)

1. 물의 흐름방향과 직교하는 방향으로 이격 설치되며, 서로 마주보는 면에 원호형의 가이드채널을 대응되게 갖는 한 쌍의 교각;

   상기 두 교각의 가이드채널에 축의 양단이 이동 가능하게 결합 지지되며, 유체저항을 유도하는 다수의 날개를 외주에 일정각도 간격으로 구비하여 물의 조류력에 의해 회전하는 수차;

   상기 가이드채널의 곡률중심상에 위치하며, 상기 수차의 회전동력에 의해 전기를 생성하는 발전기;

   상기 수차의 회전동력을 상기 발전기에 전달하는 동력전달수단;

   상기 교각에 피벗 지지되고, 상기 수차를 수위변화에 따라 가이드채널을 통해 승강시킴과 함께 수차를 임의레벨의 수면위에 위치 고정시켜주는 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 급류 수력발전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 동력전달수단과 발전기 사이에 개재되고, 상기 수차의 회전동력을 소정비율로 증대시켜 상기 발전기에 전달하는 증속기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급류 수력발전장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 교각에 설치되고, 수위를 검출하여 검출수위에 따라 상기 액츄에이터를 작동시키는 수위계를 구비하는 것을 특징으로 하는 급류 수력발전장치.