KR20090110283A - 중력을 이용한 다층구조 소수력발전과 정화처리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중력으로 발생 되는 수압을 이용한 것으로 다층구조 다세대주택 단지의 소수력발전과 생활하수정화 처리방법에 관한 것이다.

본 발명은 건물 옥상 수조(1)의 물과 우천시 내리는 빗물(9)을 모아 사용하는 소수력발전으로 토출부(25)에서 쏟아내는 일정한 물의 양으로 첫 번째 상단수조(2)의 수압을 형성케 하여 수차(200)를 돌리고 수차에서 배출된 물은 다음 수조의 수압을 형성케 하는 연차적으로 전기를 생산하는 발전시스템이며 수차 내부에는 발전기를 내장되어 저속으로 발전하는 장치이다. 물이 수직으로 순환하는 전기생산과정(200)이므로 다층구조 건물에서 생활하수를 투입하면 배출 즉시 정화처리(300)되고 각 수조(2)의 수압을 형성하는데 보충 수 역할을 하게 되는 하수정화처리를 겸한 소수력발전시스템인 것이다.

본 발명은 자체생산한 전력이 부족할 경우 상용전력을 사용하고 각층의 수차 내장형 발전기에서 생산된 잉여전력은 전력제어장치를 통해 상용전력에 보내는 형식의 병행된 방법을 채택했다. 일정한 수압으로 생산되는 전기이니만큼 안정적이고 신뢰성이 좋은 전기를 얻을 수 있는 수단이다.

본 발명은 병(病)을 초기에 발견하여 치료하는 것이 완쾌를 할 수 있는 효과를 보듯이 건물에서 배출되는 생활하수를 즉시 정화처리 하여 전기를 생산하는데 활용하는 방법이며, 단지 내에 늪지와 개천, 연못을 만들고 나무를 심어 조경을 가꾸고 생태공원을 조성하고 물이 흘러가는 과정에서 지하에 자연적으로 유입되어 여 과처리가 된 물를 상수(500)로 사용할 수 있는 친환경적으로 소수력발전을 하며 하수정화처리를 하는 녹색기술이다.

소수력발전, 중력,수압, 양방향회전, 하수정화처리기, 양수발전

Description

중력을 이용한 다층구조 소수력발전과 정화처리시스템{Micro Hydropower Of The Using Gravity and Apparatus For Purify Waste Water System}

본 발명은 중력을 이용한 소수력발전과 하수정화처리기에 관한 것으로, 늘어가는 다층구조 다세대주택단지와 아파트형 공장 등에서 소비하는 전기를 직접생산하여 충당하고 배출하는 생활하수와 오폐수를 즉시 정화하여 중수로 만들어 재활용하는 소수력발전과 하수정화처리 방법에 관한 것이며, 음식물쓰레기로 퇴비를 생산하는 과정에 전기를 사용할 수 있는 기술이다.

본 발명은 다층구조의 건물 옥상에 대형수조를 설치하고 우천시 내리는 빗물과 지하층 수조(300), 그리고 연못에서 퍼올린 물을 희석하여 일정양식 배출시켜 물레방아(수차)를 돌려 필요한 전기를 생산함과 동시에 생활하수와 오폐수를 배출 즉시 정화처리하는 과정을 상용전력과 생산전력을 병행사용 하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 건물의 상층에서부터 하층에 이르기까지 수조(2)와 물레방아(3)를 번갈아 수직 배열하고 옥상(1)에서 일정량의 물을 배출하여 발전기를 내장한 물레방아를 돌려 전기를 생산하면서 지하의 집수조(300)까지 도달하게 된다. 층간의 각수조에는 상층에서 쓰고 버리는 생활하수를 투여하여 물과 희석하여 중수로 만들고, 음식물쓰레기는 분쇄하여 오폐수와 함께 버리게 되면 탈수, 건조, 발효과정을 거쳐 퇴비로 만들어 단지 내 나무와 화초를 가꾸는 밑거름으로 사용한다.

전 운전과정에서 부족한 전력은 상용전력으로 보충하고 각층에서 발전하여 사용하고 남은 잉여전력은 전력제어장치를 통해 상용전력에 보내게 된다. 본 발명에서 전기를 생산하는 방식은 소량의 물로 수직순환과정에서 생산되는데 각 수조의 일정한 수압을 이용하여 생산되는 전기이기 때문에 항상 안정적이고 신뢰성이 좋은 전기생산 방법이다.

단지 내에 늪지와 개천, 연못을 만들어 나무를 심어 음식물쓰레기와 오폐수의 유기물이 함께 발효된 질 좋은 퇴비로 조경을 가꾸고 생태공원을 조성하여, 흘러가는 물은 지하로 유입되어 자연여과처리된 지하수를 상수로 사용할 수 있어 진정한 친환경적인 녹색기술인 것이다.

일반적으로 소수력발전은 하천이나 골짜기의 흐르는 물을 댐과 수중보를 설치하여 유도한 물을 이용하여 떨어지는 낙차로 수차나 터빈을 돌려 충동식 발전을 하는데 소음 때문에 사람이 생활하는 곳과 떨어져 설치를 하게 된다. 도심건물에서 물레방아를 이용하여 발전하려 해도 물공급이 원활하치 못하고 제작규모가 커야 하기 때문에 엄두를 내지 못했던 것이다. 또한 물레방아를 이용한 전기발전은 대부분 낙차를 이용하여 수차를 회전시켜 축에 전달된 회전력을 외부의 체인이나 기어의 회전비를 이용하여 발전하는데 설치공간을 많이 차지하게 된다.

항상 사람이 생활하는 곳에서는 전기와 물이 필요하고, 물을 사용하면 하수와 오폐수가 배출되기 마련인데 이를 즉시 처리하지 못하면 환경오염의 주범이 되고 하수종말처리장까지 보내는 과정에서 부패로 인한 악취와 오염이 유발된다. 이를 치유하고 자연상태로 되돌리기까지는 많은 에너지를 소비하기 때문에 막대한 비용이 들어 경제적 손실이 크다. 전력도 생산하고 생활하수와 오폐수를 배출 즉시 정화처리하여 재활용하는 자연친화적인 환경을 만드는데 그 목적이 있다.

본 발명은 건물 옥상 수조(1)의 물과 우천시 내리는 빗물을 모아 사용하는 소수력발전으로 토출부(25)에서 쏟아내는 일정한 물의 양으로 첫 번째 상단수조(2)의 수압을 형성케 하여 수차(3)를 돌리고 그 물이 다음 수조의 수압을 형성케 하고 발전장치를 내장한 수차(3)를 돌리는 연차적인 방법으로 전기를 생산한다. 물이 수직으로 순환하는 과정에서 전기를 생산하므로 생활하수를 배출 즉시 투입시켜 정화처리하고 각 수조(2)의 수압을 형성하는데 보충수 역할을 하게 하여 발전과 하수정화처리를 하게 한다.

음식물쓰레기는 분쇄하여 오폐수와 함께 오폐수 관에 버리면 탈수하고 건조하 고 발효시켜 퇴비를 만들어 사용한다.

상기와 설명한 바와 같이 본 발명은 고갈되어가는 화석에너지와 물부족국가라는 오명을 탈피하는 방법으로 탄소배출을 방지하고 에너지 최대로 절약하고 환경을 개선하는 현 정부의 최대 숙원사업인 녹색기술이라 볼 수 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 상세히 설명하면 다음과 같다.

[도 1]은 물의 흐름과 생활하수와 음식물쓰레기, 오폐수 처리 과정을 나타낸 도면으로 옥상(100)에 많은 량을 담수 할 있는 대형수조(1)와 우천시 빗물을 담는 우수집수조을 설치하고 수조(2) 간에 물이 흐르도록 관으로 연결하는데 필요 이상 가동하지 않도록 제어기로 조절한다. 물레방아 수차(3)의 상단에 토출부(25)의 물량이 대형수조에서 제1수조를 거쳐, 제1발전기 수차(3)로 전달되고 그 물은 제2수조와 제2발전기 수차를 거쳐 ....제N발전기 수차..... 지하 집수조 까지 이르는 토출부의 물량은 항상 일정하게 안정적인 전기를 다중생산 하게 된다.

[도 2]는 상용전력과 전기 발전을 나타낸 도면으로 전력생산량과 소비량에 따라 전력제어기를 사용하여 제어한다. 층간의 생산 전력을 충분히 소화하고 남는 전기를 상용전력에 되 돌려야 하므로 3상 발전장치를 사용하며 양수펌프, 정화처리 및 오페수처리기기들이 대부분 3상 전기를 사용하기 때문에 변환 장치가 없이 사용 가능하다.

[도 3]은 다층가구의 설치구조를 나타낸 화면으로 건물이 남향일 경우에는 태양열에너지를 사용하여 병합처리 하는 방법 또한 에너지를 얻는 한 방법이라 생각하며, 생활하수에는 전해질 물질이 함유되어 있어 지속적인 발전으로 전기분해를 하면 생활하수의 살균과 추가적인 에너지공급원이 된다.

[도 4]는 한 층의 수조(2)설치와 물레방아수차(3) 설치의 단면을 나타낸 도면으로 수차 회전시 물 분산을 막는 물분산방지막(31)이 설치되어야 하며 토출부(25)가 수차날개(32) 지지원판(37) 사이에 삽입된 형태에 고정되어야 소음도 줄이고 수조(2)의 수압으로 밀어내기 형태로 회전을 얻을 수 있다. 물레방아 수차발전기가 건물의 남향에 설치될 경우에는 태양에너지를 이용할 수 있는 모듈을 설치하여 여러모로 에너지를 얻을 수 있다.

[도 5]와 같이 층층 간의 물레방아 수차에 물을 공급하는 수조의 주변 수직선상에는 수조의 수량이 부족으로 수압이 일정하지 않을 경우를 대비하여 옥상 수조에서 직접 내려오는 수압유지용 공급관(21)과 위층에서 배출하는 생활하수의 수량이 많아 수조의 물이 넘칠 경우를 대비하여 수위조절용 배출관(22)을 설치한다. 수위조절용 배출관(22)은 수위가 올라가면 자동으로 배출되지만 수압유지용 공급관(21) 은 옥상에서 내려오는 물의 수압이 있어 과다공급을 방지하기 위해 필요에 따라 공급조절 가능한 조절기가 필수적으로 설치되어야 한다. 생활하수는 정화하는 과정이므로 항상 투입되게 한다.

[도 4,5,6]의 수차의 제작과 설치 방법을 나타낸 도면으로,

1. 수차(3)의 원주의 크기와 폭은 수조(2)의 수압에 따라 전력생산량을 환산하여 정하고 수차날개(32)수는 원주를 등분하여 제작함에 있어 수차(3)물받이는 소음과 물의 낙하시 분산을 최소화하기 위해 사면이 막힌 정육면체 마름모꼴 형태로 하고 원주의 바깥쪽 면의 ½정도를 트이게 한다. 토출부(25)에서 쏟아지는 물이 회전방향의 면과의 마찰을 줄이고 원활한 흐름을 주기 위해 곡선으로 처리한다. 그 트인 부분의 면적이 토출부(25)의 트인 부분의 면적보다 커야 만이 수차의 날개(32)로 인한 순간 압축과 팽창을 할 수 있는 역할을 한다. 만약 너무 크면 상단 수조(2)의 수압을 전달 받는 과정에서 불균형을 이루어 회전운동이 불안정해진다 .

2. 수차의 날개(32)를 감싸는 양쪽 수차지지원판(37)은 도너츠 모형을 하되 수차날개보다 높게 제작이 되어야 토출부(25)의 물이 토출될 때의 분산를 막고 소음도 줄이게 된다. 또한 관성의 법칙에 의해 수차의 회전력 늘리는데 무게 역할도 한다. 수차지지원판(37)은 수차날개(32)와 결합하여 일체형으로 제작되어도 무관하 다.

3. 일반적으로 물레방아를 제작할 때 회전력을 늘리기 위해 물레 바깥면에 나무를 덧대듯이 수차의 지탱하는 풀리 또한 무게가 높아야 회전력을 늘릴 수 있다. 그러나 전체 수차의 무게로 인한 베어링의 마찰력을 계산하여 재질을 선택해야 하고 둘레의 크기는 설치 공간에 따라 다르게 할 수 있으며 같은 수압의 수량일지라고 회전속도가 달라져 전기량과 관계가 있다.

4. 토출부(25)의 배출구가 수차날개지지원판(37) 사이에 끼우는 형식으로 설치를 하되 수차(3)가 회전할 수 있는 오차 범위를 두고 최대한 밀착하여 고정되어야만 물의 분산과 소음을 줄일 수 있으며 상단수조(3)의 수압이 변함없이 전달되어 순간 압축과 팽창으로 회전력을 높일 수 있다.

5. 상단수조의 물이 수차를 회전시키며 하단수조(2)에 도달할 때 물 넘침을 방지하기 위한 수단으로 수차(3)의 회전방향에 수차의 ½를 감싸게 하여 수차의 무게 중심이 항상 90도 지점에 유지하도록 하기 위함이다. 수차지지원판(37) 사이에 수차의 날개 폭보다 작은 너비로 제작하고 수차(3)의 회전을 방해하지 않는 범위 내에서 최대한 밀착시켜 외부에 흔들림없이 고정해야 하며 아래 끝 부분이 물에 잠기게 하여 수차에서 쏟아내는 물에 의해 발생하는 소음을 줄인다.

6. 수차와 하단수조의 간격은 수차의 날개 지지원판(37)은 하단 수조(2)에 잠기게 하는데, 수차 날개(32)에서 물이 쏟아질 때 소음을 줄이기 위한 부분으로 너무 깊게 잠기게 하면 하단 수조의 출렁임을 일으켜 수차가 균일한 회전운동에 영향을 받지 않도록 수차(3)와 하단수조(2) 간의 간격을 유지한다.

7. 수차 외부에는 수차물분산소음방지막(31)으로 막아 물의 분산을 막고 소음도 최소화 한다.

[도 4,6,7]의 수차내장형 발전기 제작 과정과 발전원리에 있어,

물레방아를 이용하여 발전을 할 때는 일반적으로 회전축으로 동력을 전달받아 외부의 체인, 벨트, 기어를 이용하여 풀리와 발전을 위한 회전속도를 환산하여 증속된 속도로 전기생산을 하는데 마찰력 때문에 에너지를 얻는 효과가 작다.

본 발명의 수차내장형발전기는 수차 중심에 위치함으로 수차의 회전력을 받아 고정자(45)는 수차회전 방향으로, 회전자(43)는 변속기를 거쳐 증속된 속도로 수차회전의 반대방향으로 회전하게 기전력을 높여 전기를 생산한다.

즉 발전기 외측에 고정자(45) 권선 코일을 고정하여 수차의 회전방향으로 회전을 하며, 중심축에 지탱된 내치기어의 동력을 중간기어를 통해 회전운동을 받는 내측에는 회전자(43) 영구자석을 배치하여 수차(3)의 회전력에 의해 내치기와 중간기어의 역할로 고정자(45)와 반대방향으로 회전하게 한다. 고정자(45)는 역회전하는 회전자 영구자석(43)에 의해 자기장이 발생 되어 수차의 속도가 따라 높은 기전력 을 발생시킬 수 있다. 일반적으로 고정자(45)가 고정된 상태에서 회전자(43)만을 회전시켜 기전력을 발생시키는 기존의 방식보다 회전자(43)와 고정자(45)를 각기 반대 방향으로 회전시키면 상대속도가 증가하고 이와 비례하여 높은 기전력의 발생이 가능하다. 따라서 수차(3)를 저속으로 회전시키더라도 높은 기전력을 얻을 수 있고 고정자(45)에서 발생한 전력은 아마추어에 접촉된 상태에서 브러쉬(47)를 통하여 외부로 배출하게 한다.

도 1은 발전을 위한 물순환과정과 정화처리 단계를 나타낸 도면

도 2는 발전구성와 상용전력 사용 제어를 나타낸 도면

도 3은 다세대 층간 발전형태와 전기분해과정을 나타낸 도면

도 4는 발전기 내부구성과 태양 모듈 설치를 나타낸 도면

도 5는 수차발전의 수압과 수위유지조절을 나타낸 도면

도 6은 발전의 기어구성과 토출부와 수차고정 방법을 나타낸 도면

도 7은 발전기의 내부구성과 자석배열을 나타낸 도면

※도면의 주요부분에 대한 부호설명※

1:옥상수조 2:내부수조 3:수차 4:수차내장발전기 5:빗물수조

6:메인전력제어기 7:보조전력제어기 8:건물벽 9:지하수조

10:태양열모듈판

21:수압유지공급관 22:수위조절배출관 23:생활하수유입관

25:토출부

31:소음물분산방지막 32:수차날개 33:내치기어 34:중간기어 35:내부기어

36:수차풀리 37:수차 38:물넘침방지판

100:옥상펌핑 및 빗물수조 제어개념

200:발전기구성 전개도 300:지하 집수조 500:외부 물순환개념 600:세대별 발전개념 700:지하발전 및 옥외조경발전 900:생활오폐수정화과정

Claims (3)

1. 소수력발전장치의 수차 제작과정에 있어서

   수차(3)물받이는 소음과 물의 낙하시 분산을 최소화하기 위해 사면이 막힌 정육면체 마름모꼴 형태로 하고 원주의 바깥쪽 면의 ½ 정도를 트이게 하고 토출부(25) 트인 부분의 면적이 토출부(25)의 트인 부분의 면적보다 크게 하여 수차의 날개로 인한 순간 압축과 팽창을 할 수 있는 역할을 하게 하는 단계,

   수차(3)를 지지하는 원판(37)은 도너츠 모형으로 수차날개(32)를 양옆에서 덫 대는 방법으로 수차날개(32)보다 높게 제작이 되어야 토출부(25)의 물이 토출될 때 분산를 막고 소음도 줄이며 수차(3)의 회전력 증가하게 하는 역할을 하게 하는 단계,

   토출부(25)의 배출구가 수차날개(32) 지지원판(37) 사이에 끼우는 형식으로 설치를 하되 수차가 회전할 수 있는 오차 범위를 두고 최대한 밀착하여 고정되어야만 물의 분산과 소음을 줄일 수 있으며 상단수조(3)의 수압이 변함없이 전달되어 순간 압축과 팽창으로 회전력을 높이는 단계,

   상단수조의 물이 수차를 회전시키며 하단수조에 도달할 때 물 넘침을 방지하기 위한 수단으로 물넘침방지막(38)을 설치하는데 수차의 회전방향에 수차의 ½(90°~270°)를 감싸게 하여 수차의 무게 중심이 항상 90도 지점에 유지하도록 하기 위함이다. 수차지지원판(37) 사이에 수차날개(32) 폭보다 작은 너비로 제작하고 수차의 회전을 방해하지 않는 범위 내에서 최대한 밀착하여 외부에 흔들림없이 고정하게 한는 방법,

   수차와 하단수조의 간격은 수차의 날개 지지원판은 하단 수조에 잠기게 하는데, 수차 날개에서 물이 쏟아질 때 소음을 줄이기 위한 부분으로 너무 깊게 잠기게 하면 하단 수조의 출렁임을 일으켜 수차가 균일한 회전운동에 영향을 받지 않도록 수차와 하단수조 간의 간격을 유지하게 하는 단계,

   수차(3) 전체를 수차물분산방지막(31)로 감싸게 하여 물이 분산되어 흩어짐을 막고 소음을 최소화 하는 단계,
2. 수차 양방향 발전장치의 제작과정에 관하여

   수차의 회전력을 받는 수차 내부 외측에 고정자(45) 권선 코일을 고정하고 중심축의 회전운동을 받는 내측에는 회전자(43) 영구자석을 배치하여 수차의 회전력에 의해 내치기와 중간기어의 역할로 고정자(45)와 반대방향으로 회전하게 한다. 고정자(45)는 역회전하는 회전자 영구자석(43)에 의해 자기장이 발생 되어 수차의 속도가 따라 높은 기전력을 발생시킬 수 있다. 일반적으로 고정자(45)가 고정된 상태에 서 회전자(43)만을 회전시켜 기전력을 발생시키는 기존의 방식보다 회전자(43)와 고정자(45)를 각기 반대 방향으로 회전시키면 상대속도가 증가하고 이와 비례하여 높은 기전력의 발생이 가능하다. 따라서 수차(3)를 저속으로 회전시키더라도 높은 기전력을 얻을 수 있고 고정자(45)에서 발생한 전력은 아마추어에 접촉된 상태에서 브러쉬(47)를 통하여 외부로 배출하게 한다.
3. 생활하수와 오폐수를 정화하는 방법으로

   소수력발전시스템은 물이 수직으로 빠르게 순환하는 과정에서 전기를 생산하기

   때문에 생활하수나 오폐수를 투입하면 옥상수조(1)에서 보충되는 맑은 물과 희석되고 산소가 자동공급되므로 하수가 중수로 만들어 지는 단계,

   중수된 배출되는 물은 습지와 개천을 거쳐 연못까지 흐르는 단계(500)에서 지하수로 자연스럽게 유입되고 지하수를 충당하게 되어 음료수로 사용되는 상수를 얻을 수 있다. 흐르는 물속에는 미생물이 생성되고 수생식물이 자생하므로 물고기가 살 수 있는 수질로 개선하게 되며 연못은 우천시 빗물을 모으는 집수조(300) 와 소수력발전시스템의 공급수 역할을 하며 발전하여 얻은 전력과 상용전기를 선택하여 다시 옥상공급수조(1)에 보내어 상단수조(1) 수압을 형성하는데 재활용하는 방법,

Images