KR200481319Y1 - 순환식 수력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 불연속적으로 공급되는 물의 위치에너지를 이용하여 운동에너지를 가진 용수의 위치에너지를 높여 발전에 재사용하도록 하는 순환식 수력 발전장치에 관한 것이다. 그의 구성은; 하수, 우수 또는 상수 등의 용수를 공급하는 용수 공급관; 상기 용수 공급관의 단부에 직하방향으로 연결되는 수직관; 상기 수직관의 하부에 설치됨으로써 용수공급관으로부터 낙하하는 용수를 이용하여 임펠라를 회전시켜 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기를 통과한 용수를 안내하여 다시 상기 용수공급관의 단부까지 용수를 재공급하는 용수 순환공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

순환식 수력 발전장치{Looping Typed Waterpower Generation System}

본 고안은 수력 발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불연속적으로 공급되는 물의 위치에너지를 이용하여 운동에너지를 가진 용수의 위치에너지를 높여 발전에 재사용하도록 하는 순환식 수력 발전장치에 관한 것이다.

수력 발전장치는 일반적으로 지속적으로 흐르는 물이 공급되는 강에 댐을 설치하여 위치에너지를 높인 다음 이로부터 조금씩 물을 낙하시키면서 발전기를 회전시켜 발전을 하는 시설이다.

이처럼 일반적으로 수력 발전장치는 연속적으로 물이 공급되는 환경에 설치된다. 그러므로 이따금씩 물이 공급되거나 물의 공급량이 수시로 변하는 환경에서는 수력발전장치를 설치하기가 어렵다. 가령 도시환경에서 각 가정에서 사용된 후 배출되는 하수는 불규칙하게 하수관을 흐르게 된다. 그러나 하수관을 따라 흐르는 하수처리장으로 향하는 물도 나름대로 위치에너지를 가질 수 있으며, 이 위치에너지를 이용하여 발전을 일으키는 것을 생각해볼 수 있다. 그러나 물의 공급이 불규칙하기 때문에 일정하게 전력를 생산해낼 수 없기 마련이다.

또한 수력발전에 사용되어 흐르게 되는 물도 여전히 그 속도에 의한 운동에너지를 가지고 있는데, 사용된 용수를 그냥 버린다면 이 운동에너지를 버리는 것이 되어 에너지 낭비의 요소가 되기도 한다.

종래에도 댐 이외의 장소에서 수력발전을 일으킬 수 있는 장치가 제안되었기는 했지만, 현실에 적용되는 사례는 많지 않았으며 구조들이 복잡하여 설치비용이 과다하게 소요되는 문제점이 있었다.

대한민국 실용신안등록출원 제20-2012-0006385호 대한민국 특허출원 제10-2013-0075888호

위와 같은 문제에 대한 본 고안의 목적은, 도시의 각 가정에서 항상 일정량이 아닌 불규칙한 양으로 배출되는 하수인 발전 용수를 수문의 개방에 의해 수직관으로 공급하여 상기 수직관 하부의 임펠라를 회전시켜 발전기에 의해 전력을 생산해낼 수 있으며, 상기 임펠러를 통과한 용수는 수류가 가진 운동 에너지 및 외부 전원에 의해 구동하는 발전기의 전력에 의해 재차 수직 유도관체를 통해 수직관으로 공급하여 재차 전력을 생산할 수 있는 순환식 수력 발전장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 고안은, 하수, 우수 또는 상수의 용수를 공급하며, 용수 배출부 단부에는 개폐 가능한 수문이 설치되는 용수 공급관;
상기 용수 공급관의 용수 배출부 단부에 수직 방향으로 연결 설치되는 수직관;
상기 수직관의 하부에 설치어 상기 용수 공급관으로부터 낙하하는 용수를 이용하여 임펠라를 회전시켜 전력을 생산하는 발전기;를 포함하여 구성된 순환식 수력 발전장치에 있어서,
상기 발전기를 통과한 용수를 안내하여 다시 상기 용수공급관의 단부까지 용수를 재공급하는 수직유도관체가 상기 수직관의 하부와 연결 설치되며,
상기 수직유도관체는, 상부로 갈수록 직경이 작아지며 상기 수직유도관체 하측 단부는 하부 만곡관을 개재하여 상기 수직관 하단과 연결되고, 상기 수직유도관체의 상측 단부는 상부 만곡관을 개재하여 상기 공급관의 단부와 연결되며, 상기 수직유도관체에는 다수의 순환펌프가 설치되는 한편, 상기 수직유도관체 또는 하부 만곡관 중 어느 한곳에는, 평행하게 이격 설치되는 복수 개의 단위관이 조합되어 이루어지는 층류유도관 어셈블리가 설치되는 것을 특징으로 하는 순환식 수력 발전장치를 마련함에 의한다.
또한, 상기 수직유도관체는; 직경이 단계적으로 작아지는 복수 개의 단위유도관체가 길이방향을 따라 연속적으로 연결되어, 단계적으로 직경이 작아지는 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

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위와 같은 구성에 의하면, 도시의 각 가정에서 항상 일정량이 아닌 불규칙한 양으로 배출되어 버려지는 하수인 발전 용수를 수문의 개방에 의해 수직관으로 공급하여 상기 수직관 하부의 임펠라를 회전시켜 발전기에 의해 전력을 용이하게 생산하며, 또한 상기 임펠러를 통과한 용수는 수류가 가진 운동 에너지 및 외부 전원에 의해 구동하는 발전기에 의해 재차 수직 유도관체를 통해 수직관으로 공급하여 재차 전력을 생산할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 고안의 실시예에 의한 수력 발전장치의 구성도이다.
도 2는 본 고안의 실시예에 의한 수력 발전장치의 수직유도관체의 단면 구성도이다.
도 3은 도 1의 A-A선을 따라 취한 단면 구성도이다.
도 4는 본 고안의 다른 실시예에 의한 수력 발전장치의 구성도이다.

이하, 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시예를 상세하게 설명한다. 우선 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 고안의 일실시예를 설명한다. 도 4는 필요한 곳에서 인용하기로 한다.

본 고안은 도시 내지 그 근방에서 사용하는 것을 예정하고 안출된 수력 발전장치이다. 그러나본 고안의 권리범위가 도시에 사용되는 것으로 한정되어 해석될 필요는 없는 것이다.

도시에서 발견할 수 있는 유수는 하수, 우수 또는 상수 등이 될 것이며 이들은 통상적을 하수관, 배수관, 상수관 등을 통해 흐르게 된다. 이들 유수가 발전에 사용되는 용수, 즉 발전 용수가 된다.

용수 공급관(1)은 각종의 용수를 공급하는 관체이며, 상기 용수 공급관(1)의 용수 배출부 단부에는 개폐 가능한 수문(11)이 설치되며, 상기 수문(11)은 관내의 용수 압력을 조정할 수 있도록 게이트밸브의 형태가 될 수 있으며 규모에 따라 다양한 밸브가 선택될 수 있다.

또한, 상기 용수 공급관(1)의 용수 배출부 단부에는 수직관(10) 수직방향으로 연결 설치된다. 그리고 도 1에 도시된 바와 같이 상기 용수 공급관(1)은 용수 배출부 단부 상측으로 연결관(61)을 통해 저장탱크(60)와 연결 설치되어, 상기 용수 공급관(1)을 통해 수직관(10)으로 공급되는 용수의 양이 많으면 수문(11)의 폐쇄에 의해 저장탱크(60)로 유입되어 관내 용수 압력을 조정하도록 하는 한편, 상기 용수 공급관(1)을 통해 공급되는 용수가 없는 상태에서는 상기 저장탱크(60)의 용수를 이용하여 용수를 순환시켜 임펠라를 회전시켜 전력을 생산할 수 있도록 한다.
따라서, 상기 저장탱크(60)로부터 발전 용수를 공급받아 발전을 일으킬 수 있으며, 상기 저장탱크(60)와 용수 공급관 사이에는 개폐밸브가 설치되어 용수 공급처를 선택하도록 할 수 있다.

상기 용수 공급관(1)으로부터 낙하하는 용수를 이용하여 임펠라를 회전시켜 전력을 생산하는 발전기(30)가 수직관(10)의 하부에 설치된다.

본 고안의 가장 큰 특징은 발전기(30)의 임펠러를 통과한 용수를 외부 전원에 의해 구동되는 순환펌프에 의해 수직 유도관체(40)를 거쳐 다시 용수 공급관(1)의 단부까지 재공급 한다. 상기 발전기(30)를 통과한 용수는 운동에너지를 갖고 있는데, 본 고안은 이 운동에너지를 수력발전으로 전환시키는 것을 핵심으로 한다.

상기 수직 유도관체(40)는 공급관(30)을 통해 용수가 공급되는 하부 만곡관(20)과 상기 수직 유도관체(40)의 상부에 연결되는 상부 만곡관(50) 및 상기 수직 유도관체(40)에 설치되는 순환펌프(51,52,53,54)를 포함한다.
상기 수직유도관체(40)는 상부로 갈수록 직경이 작아지도록 되어 있는데, 그 이유로서는 베르누이 정리에 의거하여 용수의 공급 관경을 다단으로 줄임으로써 다단으로 줄어든 관의 내부를 통과하는 유체의 속도가 순차로 작아지는 직경에 의해 점차 운동 에너지가 높아지는 것에 기인하는 것이다.
이와같이, 용수의 속도(운동 에너지)를 높임으로써 임폘러를 통과하여 분출되는 용수가 가지고 있는 운동 에너지를 이용하여 다시금 수지유도체관(40)을 통해 수직관(10)으로 용수를 순환시킬 수 있도록 한다.

상기 순환펌프(51,52,53,54)는 수직유도관체(40)를 따라 상승하는 용수에 상승력을 더하고자 외부 전원에 의해 구동되는 것으로서, 상기 순환펌프(51,52,53,54)는 수직유도관체(40)의 연장방향을 따라 다수개가 설치된다.

본 고안의 실시예에 의하면, 수직유도관체(40)는 직경이 단계적으로 작아지는 복수 개의 단위유도관체(40a,40b,40c,40d,40e)가 길이방향을 따라 연속적으로 연결됨으로써 단계적으로 직경이 작아지는 형태를 가질 수 있다. 유체의 손실저항을 최소화하기 위하여 각 단위유도관체(40a,40b,40c,40d,40e)의 연결부위는 유선형태로 되어 있다. 단위유도관체(40a,40b,40c,40d,40e)의 각 직경(D1,D2,D3,D4,D5)은 선형적으로 감소되도록 설계된다.

상기 하부 만곡관(20)은 일단이 수직관(10) 하단에 연결되고 타단은 수직 유도관체(40)의 하단, 즉 초입에 연결된다. 하부 만곡관(20)은 수직관(10)을 통과한 용수로 하여금 저항손실이 최소화된 상태로 방향전환되어 수직유도관체(40)로 공급되도록 하는 것이다. 하부 만곡관(20)은 수직관(10)과 같은 직경이 바람직하다.

상부 만곡관(50)은 일단이 수직유도관체(40)의 상단에 연결되고 타단이 용수 공급관(1)에 연결된다. 상부 만곡관(50)은 수직유도관체(40)를 통과한 용수로 하여금 저항손실이 최소화된 상태로 방향전환되어 수직관(10)으로 유도되도록 하기 위한 것이다. 상부 만곡관(50)은 수직유도관체(40)의 말단(즉 가장 높은 곳에 위치되는 부분)의 직경과 같다.

본 고안의 다른 실시예에 의하면, 수직유도관체(40) 또는 하부 만곡관(20) 중 어느 일곳 이상에는 평행하게 이격 설치되는 복수 개의 단위관이 조합되어 이루어지는 층류유도관 어셈블리(21,41,42)를 포함할 수 있다. 층류유도관 어셈블리(21,41,42)는 유체의 층류(laminar-flow)를 유도하기 위한 것으로서, 관류하는 용수가 서로 혼합하여 난류가 되면 저항이 심해져 손실이 많아지기 때문에 이를 방지하기 위하여 마련된다. 층류유도관 어셈블리(21,41,42)는 수직유도관체의 각 부위에도 설치될 수 있다. 관경이 큰 경우에는 설치효과가 크므로 주로 수직유도관체의 하부에 설치되는 것이 일반적이다. 도 2는 수직유도관체(40)에 설치되는 하나의 층류유도관 어셈블리(41)의 단면 구성을 도시한다.

이하, 본 고안의 또 다른 실시예를 도 4를 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따르면 복수 개의 수직유도관체(40,40',40",40"')가 소정의 높이 차이(h1,h2,h3)를 두고 병렬적으로 연결되어 있다. 수직관(10)을 통해 쏟아지는 용수의 유량이 많을 경우, 이 유량을 여러 개의 수직유도관체(40,40',40",40"')로 분산하여 순환시키기 위한 것이다. 각 수직유도관체(40,40',40",40"')의 연결부위에는 게이트가 마련됨으로써 유량에 많고 적음에 따라 전체 또는 부분적으로 게이트를 개방함으로써 수직유도관체(40,40',40",40"')를 전부 사용하거나 일부만 사용하도록 할 수 있다.

각 수직유도관체(40,40',40",40"')에는 전술한 실시예에서와 같은 순환공급부가 각각 마련된다. 본 실시예에서 수직유도관체(40,40',40",40"')에 관한 것은 이전 실시예와 동일하게 적용될 수 있으므로 반복 설명을 생략한다.

본 고안에서의 수직유도관체(40)는 수직으로 도시되었지만 반드시 그러한 것은 아니며 경사지게 설치될 수도 있다. 수직유도관체(40)는 위치에너지의 관점에서 수직거리가 의미가 있는 것이므로 수직유도관체라고 칭한 것 뿐이다.

이상에서 설명된 것들은 본 고안의 기술적 사상에 의거한 몇가지 예시에 불과하다. 당업자는 청구범위를 통해 표현되는 본 고안의 기술적 사상의 범위를 넘지 않는 선에서 예시된 바를 활용하여 다양한 변형실시를 할 수 있을 것이다. 예를 들어 위에 설명된 모든 실시예들은 당업자에 의해 자유롭게 조합되어 실시될 수 있으며 어떠한 조합이든지 본 고안의 권리범위에 포함된다고 해석되어야 한다.

1 : 용수 공급관 10 : 수직관
11 : 수문 20 : 하부 만곡관
21,41,42 : 층류유도관 어셈블리
30 : 발전기 40,40',40",40"' : 수직유도관체
50 : 상부 만곡관 51,52,53,54 : 순환펌프

Claims (5)

1. 하수, 우수 또는 상수의 용수를 공급하며, 용수 배출부 단부에는 개폐 가능한 수문이 설치되는 용수 공급관;
   상기 용수 공급관의 용수 배출부 단부에 수직 방향으로 연결 설치되는 수직관;
   상기 수직관의 하부에 설치어 상기 용수 공급관으로부터 낙하하는 용수를 이용하여 임펠라를 회전시켜 전력을 생산하는 발전기;를 포함하여 구성된 순환식 수력 발전장치에 있어서,
   상기 발전기를 통과한 용수를 안내하여 다시 상기 용수공급관의 단부까지 용수를 재공급하는 수직유도관체가 상기 수직관의 하부와 연결 설치되며,
   상기 수직유도관체는, 상부로 갈수록 직경이 작아지며 상기 수직유도관체 하측 단부는 하부 만곡관을 개재하여 상기 수직관 하단과 연결되고, 상기 수직유도관체의 상측 단부는 상부 만곡관을 개재하여 상기 공급관의 단부와 연결되며, 상기 수직유도관체에는 다수의 순환펌프가 설치되는 한편, 상기 수직유도관체 또는 하부 만곡관 중 어느 한곳에는, 평행하게 이격 설치되는 복수 개의 단위관이 조합되어 이루어지는 층류유도관 어셈블리가 설치되는 것을 특징으로 하는 순환식 수력 발전장치.
   
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3. 제1항에 있어서,
   상기 수직유도관체는;
   직경이 단계적으로 작아지는 복수 개의 단위유도관체가 길이방향을 따라 연속적으로 연결되어, 단계적으로 직경이 작아지는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 순환식 수력 발전장치.
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