KR20040002373A - 진공식 흡출관 이용 완전낙차 수력 시스템 - Google Patents

Abstract

물의 위치에너지를 이용, 수차를 돌려 동력을 얻는 수력발전에 관한 것이다. 완전한 낙차를 수차에 이용하기 위해 저수지측에 인접한 부위에 설치되는 수차의 출구에 진공식 흡출관을 설치, 진공압 및 진공식 흡출관내의 수두를 이용하여 지금까지 사장되어 왔던 기존 장치의 설치 및 구조적인 낙차를 유효낙차로 발굴, 완전한 낙차를 얻어 시스템을 콤펙트화하고 위치선정을 용이하게 해서 현재의 비수익성 수력자원개발에 기여하고 설치 및 유지관리비용을 절감함은 물론 동력효율을 높여서 청정에너지인 수력발전의 원가를 낮출 수 있다.

Description

진공식 흡출관 이용 완전낙차 수력 시스템{Hydraulic power generating system with vacuum condition}

고효율의 동력을 얻기 위해서는 큰 낙차가 필요했는데 그러기 위해서는 수차를 최종 방수연의 수면위 최저 높이에 설치하게 되었는데 어려운 공사와 유지 및 관리가 어렵고 홍수, 파도 및 수차자체의 방출수에 의해 잠기거나 유실 위험 등으로 부터 안전여유 및 구조적 공간을 두고 설치했는데 이들 안전여유 등은 곧 낙차 손실이었다.

수차를 최종 방수연 수면위 10M정도의 높이에 설치, 완전한 낙차를 얻기위해 진공식 흡출관을 설치하여 진공압으로 진공식 흡출관내의 공기를 빼서 방수연의 물을 수차의 출구측 까지 흡인한다. 이 물은 위치에너지를 가지고 있어서 중력에 의해 밑으로 낙하함으로 인해 진공압이 형성되며 수차실내의 노즐에 작용하는 물에 진공압력이 보태어진 수류는 수차를 돌리게 되고 이후 진공식 흡출관을 통하여 방수연으로 방출된다.

도1은 상부저수지가 수차보다 낮은 경우를 나타낸 계통도

도2는 상부저수지가 수차보다 높은 경우를 나타낸 계통도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 중력식 도수관 2 : 흡인식 도수관

3 : 수차 4 : 진공펌프

5 : 컨트롤러(Controller) 6 : 컨트롤밸브(Control valve)

7 : 진공식 흡출관 8 : 수위계

9 : 방수연 10 : 노즐

11 : 중력식 도수관낙차 12 : 흡인식 도수관낙차

13 : 진공식 흡출관낙차 14 : 수차회전공간

15 : 오리피스(Orifice) 16 : 총낙차

도1은 수차가 상부저수지보다 높은 곳에 위치한 경우를 나타낸 계통도로서 10M이하의 폭포 및 낙차에서는 이 형태의 시스템이 된다. 흡인식 도수관(2) 및 진공식 흡출관(7)의 하단부는 물에 잠겨 대기와 차단되어져 있어야 하며 컨트롤러(5)에 소정의 압력을 설정하고 진공펌프(4)를 가동하면 흡인식 도수관(2) 및 진공식 흡출관(7)내의 공기가 빠지면서 물이 채워지고 흡인식 도수관(2)내에 채워진 물은 노즐(10)로 빨려나오고 진공식 흡출관(7)에는 컨트롤러(5)의 소정의 압력설정치 만큼 물이 채워져서 위치에너지를 가지고 있으며 물이 밑으로 빠지려는 힘으로 진공압이 형성되고 이 진공압으로 노즐(10)을 빠져나온 물은 점도와 비중과 관성을 가지고 있어서 노즐(10)의 토출방향으로 곧게 뿜어져 수차(3)를 돌리고 진공식 흡출관(7)내의 물의 중력에 의해 진공식 흡출관(7)을 통하여 방수연(9)로 흘러내린다. 유효낙차는 총낙차(16)에서 수차회전공간(14)을 뺀 낙차가 된다. 반동식 수차를 사용할 경우 완전한 낙차를 사용할 수 있으며 이 경우에는 수차실에 물을 채워야 한다. 오리피스(15)는 흡인식 도수관(2)내의 유속이 느릴 때 공기가 차 있으면 물의 흐름을 방해할 수 있으므로 잔여 공기를 배출, 물의 흐름을 원활히 해준다. 또 이 시스템에서 수차(3)를 빼고 흡인식 도수관(2)과 진공식 흡출관(7)을 바로 연결해서 10M 이하의 둑높이에서는 진공압력을 조절, 초기에만 최소의 동력을 사용해서 해당 위치에너지로 장애물을 넘어 다량의 물을 배출할 수 있는 수로 및 누수율이 제로(Zero)인 갑문으로 사용할 수 있으며 진공식 흡출관(7)과 수차실 및 흡인식 도수관(2)을 투명재료로 사용하고 발광식 수차블레이드(Blade)를 사용해서 학습교재 및 운치있는 실내외 장식 및 공원의 동력놀이기구로 사용가능하다. 도2의 중력식 도수관(1)은 상부저수지의 물을 중력으로 수차(3)로 보내주는 일반적인 도수관인데 지금까지 모든 수력발전의 동력은 이 중력식 도수관(1)의 압력으로만 동력을 얻어 왔었는데 이 발명은 진공식 흡출관(7)을 사용, 중력식 도수관낙차(11)에 진공식 흡출관낙차(13)가 보태어져 수차(3)를 돌려주며 10M 이상의 낙차에서는 이 형태의 시스템이 된다. 유효낙차는 중력식 도수관의 낙차(11)와 진공식 흡출관낙차(13)의 합이다.

예1) 비유예를 들어보면 천장에 스프링 저울을 매달아 놓고 10kg의 추를 단다. 그 추의 밑에 다시 고무줄에 연결된 10kg의 추를 단다. 저울의 지침은 20kg이고 아래의 추를 단 고무줄을 잘라내면 지침은 10kg이다. 예1)에서 위의 추가 중력식 도수관낙차(11)가 되고 아래의 추가 진공식 흡출관낙차(13)이며 위, 아래 추를 연결해주는 고무줄이 수차실의 진공압에 해당된다.

예2) 실시예를 들어보면 자연상태에서 중력식 도수관(1) 하단부의 노즐(10)을 개방하면 물이 토출되면서 수차(3)를 돌리게 되며 진공펌프(4)를 가동하면 진공압력은 수차실의 모든 부분에 작용하여 동적인 2개소의 진공식 흡출관(7)과 노즐(10)에 변화를 주어 진공의 흡인압으로 진공식 흡출관(7)에 물을 채우게 되는데 진공식 흡출관(7)에 채워지는 물만큼 토출되고 있는 노즐(10)의 수류에 흡인압력이 작용해 고압의 수류로 수차(3)를 빠르게 돌리고 진공식 흡출관(7)의 수위를 유지하면서 하방 배출된다. 노즐(10)의 유량에 급작스럽게 변화를 주면 수차실에는 압력을 진공식 흡출관(7)에는 수위를 크게 변화시키게 되는데 그 이유는 밀폐된 공간에 연속시스템이기 때문이다. 예1)에서 아래의 추를 단 고무줄을 잘라내듯이 콘트롤밸브(6)를 열어 수차실에 공기를 유입시켜 진공압을 해제하면 진공실 흡출관(7)의 수위는 방수연(9)의 수면으로 떨어지고 노즐(10)에 작용하는 흡인력도 없어져 중력식 도수관낙차(11)만 사용할 수 있게 된다. 낙차의 손실을 보면서 수차회전공간(14)를 둔 것은 진공층이 수차(3)와 물과의 마찰을 피하게 하여 동력 효율을 올리고 수격의 충격을 완화해 시스템의 안정운전을 돕고 상부와 하부 낙차를 연결해 준다.

상기한 바와 같이 진공식 흡출관(7)을 사용해서 수차(3)의 높이를 방수연(9) 수면에서 10M정도의 높이에 설치하고도 완전한 낙차를 얻어 수차(3)를 방수연 수면에 설치한 효과와 같다. 진공펌프(4)는 초기 운전시에 가동, 진공식 흡출관(7)내에 물을 채우며 정상운전시에는 물과 공기의 유체충돌현상으로 물이 공기를 흡수하거나 흐르는 물의 유속에 의해 기포를 아래로 배출하므로 컨트롤러(5)의 영향을 받지만 극히 간헐적으로 가동되며 일반적으로는 진공압이 과도해서 소정의 압력을 유지하기 위해 소량의 공기를 넣어 주는 상태가 되어 진공펌프(4)를 가동할 일이 거의 없다. 진공식 흡출관(7)의 수위는 최대한 높게 유지해야 배출효율이 좋지만 수위가 과도하게 높은 경우 진공압력도 과도해져 진공식 흡출관(7)내의 물이 기화되어 진공펌프(4)의 가동율 증가로 에너지 낭비를 초래할 수 있으나 기화된 물은 음용수로 활용가능하며 수온이나 대기압의 상태를 점검한 후 수위를 결정해야 한다. 진공식 흡출관(7)내의 진공압력이 과도할 경우 컨트롤러(5)의 제어를 받아 컨트롤 밸브가 열려 공기유입으로 압력 및 수위는 설정치 범위내로 유지된다 . 또 낙차의 여유가 있을 경우 컨트롤러(5)의 설정치 변화로 진공식 흡출관(7)내의 수위를 조절해 진공식 흡출관낙차(13)의 변화로 수차(3)의 회전수 및 출력조절이 가능하며 컨트롤밸브 유량조절 방식에서 물과 밸브와의 마찰로 열이 발생, 물의 온도가 높아져 배출, 낭비됨으로 유량조절방식을 낙차의 높이로 하는 것이 컨트롤밸브 유량조절방식보다 동력의 효율면에서 유리하다. 진공식 흡출관(7)내의 공기를 진공펌프(4)로 흡입, 배출하므로 양수식 발전의 경우에도 진공식 흡출관(7)을 양수식펌프 흡입관으로 사용가능하므로 펌프를 하부저수지 아래로 설치할 필요가 없다. .

사장된 낙차를 완전히 사용할 수 있기 때문에 높은 수압으로 장치의 소형화가 가능하고 유효낙차활용의 극대화로 발전효율이 상승되므로 비수익성 낙차를 고수익으로 활용가능하며 수차를 방수연 수면위 10M의 높이로 설치하고도 완전한 낙차를 얻어 홍수, 파도 및 수차방출수로 부터 안전하며 설치 및 유지관리 비용의 절감은 물론 장치와 초소형화, 초대형화 및 수로, 갑문, 운치있는 실내외 장식품 등 응용성이 높고 파도를 극복해야 되는 조력이나 저낙차이며 자연 그대로의 비탈진 협곡의 낙차사용이 가능해 환경친화적이며 소규모의 사용처인 산장, 산사, 별장, 농장 등 개인용의 발전에 특히 유효하며 호스(Hose)나 간단한 파이프 배관으로 수차의 위치 선정을 용이하게 해서 대규모의 토목공사가 필요없고 물레방아의 10 ~ 20%에 해당되는 저렴한 비용으로 사장된 에너지원을 개발하고 기 설치된 발전소에도 진공식 흡출관 및 진공장치의 추가 설치가 가능하므로 지구상의 수력자원 이용률을 극대화해서 청정한 지구환경조성에 기여할 것이다.

Claims (1)

1. 물의 낙차를 이용하여 동력을 얻는 수차시스템에 있어서, 물의 힘을 받아 돌아가는 수차(3)와 저수지의 물을 흡인시키는 흡인식 도수관(2)과 진공압에 상응한 일정 수두압을 유지하고 초과되는 물은 중력에 의해 하방으로 물을 배출시키므로 흡인식 도수관(2)과 수차(3)로의 물의 흐름을 연속적으로 하는 진공식 흡출관(7)으로 구성되어 진공식 흡출관(7)과 흡인식 도수관(2) 및 수차(3)가 있는 수차실내에는 진공펌프(4)에 의해 진공이 형성되고, 이 진공압에 의해 저수지의 물이 흡인되어 노즐(10)에서 토출된 물이 수차(3)를 돌려 동력을 발생하는 장치로 진공식 흡출관(7)이 수차(3)와 방수연(9)으로 연결되어 대기와 차단되어 진공식 흡출관(7)내의 수위와 진공압을 형성 하고 조절할 수 있는 컨트롤러(5)에 의해 제어되는 진공펌프(4)와 컨트롤밸브(6)로 공기를 배출하거나 유입할 수 있게 되는 구조로 구성되는 시스템을 구비하여 수차(3)를 돌려 동력을 발생시키는 진공식 흡출관 이용 완전낙차 수력시스템.