KR20100006064A - 와류형 수력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와류형 수력 발전기에 있어서, 특히 수평형 유도관과, 와류형 유도관 및 호퍼를 결합하고, 호퍼의 하단에 전기발생을 위한 터빈과 발전기를 부가 설치하여 일정한 속도로 흐르는 물의 속도를 빠르게 변환시켜 발전효율을 극대화시킨 것을 특징으로 하는 와류형 수력 발전기에 관한 것으로,

바닥면과 양사이드면이 결합되어 그 중앙으로 물이 일방향으로 흐르도록 단면이 유(U)자 형태로 이루어지는 수평형 유도관과; 상기 수평형 유도관의 끝단에 설치되며, 와류를 일으키기 위해 수평형 유도관의 너비에 비해 적어도 2배의 지름을 갖는 원통형상의 와류형 유도관과; 상기 와류형 유도관의 하단에 설치되어 유속을 빠르게 변화시키는 호퍼와; 상기 호퍼의 하단에 설치되어 호퍼를 통과한 물을 이용하여 회전하는 터빈과; 상기 터빈에 연결되어 터빈의 회전동력을 제공받아 자체 회전하면서 전기를 일으키는 발전기를 포함하여 구성함이 특징이며;

본 발명의 와류형 수력발전기는 소형이고 물의 회전을 만들어 주는 구조를 가지고 있어 도심하천에 설치시 도시환경에도 해를 주지 않는 구조물로서도 손색이 없어 설치하기가 용이한 효과를 제공한다.

수력발전기, 회전날개, 베어링, 나선형 터빈 날개부

Description

와류형 수력 발전기{Cyclone Waterpower Generator}

본 발명은 와류형 수력 발전기에 관한 것으로, 특히 수평형 유도관과, 와류형 유도관 및 호퍼를 결합하고, 호퍼의 하단에 전기발생을 위한 터빈과 발전기를 부가 설치하여 일정한 속도로 흐르는 물의 속도를 빠르게 변환시켜 발전효율을 극대화시킨 것을 특징으로 하는 와류형 수력 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 화석연료는 알려진 바와 같이 지구상에서 매장지역이 편중되어 있기 때문에 가격과 공급면에서 항상 불안정한 요소를 지니고 있으며, 석유 비생산국은 석유파동의 문제로부터 극심한 불안에 시달린다.

또한, 재생이 불가능하고 매장량이 한정되어 있으며 환경오염의 원인물질이어서 특히 환경오염이 심각하게 대두된다.

또한, 화석연료를 이용한 전기발생의 경우 화석연료의 불연소로 인해 대기오염이 더욱 발생되고 있으며, 이를 대체하기 위한 대체연료의 개발이 시급한 실정이다.

아울러, 화석연료의 문제점을 해결하기 위해 햇빛과 바람 및 물을 이용한 발전장치가 개발되고 있으나 설치위치 선정 및 에너지 변환 효율성의 문제로 많은 난 관에 부딪치고 있는 것이 현실이다.

한편, 자연력을 이용한 발전장치중에서 수력발전기는 물을 저장하여 방출하는 방식의 댐 발전기와 전력이 남는 시간에 물을 퍼올려 전력이 많이 사용되는 시간에 발전을 하는 양수발전기와 조석간만의 차이를 이용한 조력발전기들이 물의 흐름 및 낙차의 에너지를 운동에너지로 전환하여 전력을 만드는 발전기가 존재하고 있으나, 종래의 수력 발전기는 대형이고 건설비용이 많이 들어가고 자연환경을 훼손시키는 방법으로 만들어지는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 소형으로 자연친화적이며 그 효율 면에서 개선방안이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로, 일반적으로 도랑이나 관로를 흐르는 물에 와류형 수력발전장치를 설치하여 물의 유속을 빠르게 하여 고효율의 수력 발전기를 설치하고, 이에 따라 전력을 안정적으로 생산할 수 있는 구조를 갖는 수력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명은 바닥면과 양사이드면이 결합되어 그 중앙으로 물이 일방향으로 흐르도록 단면이 유(U)자 형태로 이루어진 수평형 유도관과; 상기 수평형 유도관의 끝단에 설치되며, 와류를 일으키기 위해 수평형 유도관의 너비에 비해 적어도 2배의 지름을 갖는 원통형상의 와류형 유도관과; 상기 와류형 유도관의 하단에 설치되어 유속을 빠르게 변화시키는 호퍼와; 상기 호퍼의 하단에 설치되어 호퍼를 통과한 물을 이용하여 회전하는 터빈과; 상기 터빈에 연결되어 터빈의 회전동력을 제공받아 자체 회전하면서 전기를 일으키는 발전기를 포함하여 구성함이 특징이다.

또한, 상기 수평형 유도관의 일단에는 물의 수위를 조절하기 위한 수위조절용 홈을 더 형성한 것이 특징이다.

또한, 상기 터빈은 회전량을 증가시키기 위해 나선형 터빈 날개부를 부착하여 이루어진 것이 특징이다.

본 발명에 따른 수력 발전기는, 도랑이나 관로 또는 강이나 바다를 흐르는 물의 출력단에 수평형 유도관과 와류형 유도관을 설치하고, 아울러 와류형 유도관의 하단에 전기발생장치를 더 부가 설치하여 빠른 유속을 이용한 수력발전이 가능토록 한 효과가 있다.

아울러, 상기 와류형 수력발전기는 소형이고 물의 회전을 만들어 주는 구조를 가지고 있어 도심하천에 설치시 도시환경에도 해를 주지 않는 구조물로서도 손색이 없어 설치하기가 용이한 효과를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 와류형 수력 발전기 사시도.

도 2는 본 발명의 와류형 수력 발전기 정면도.

도 3은 본 발명의 와류형 수력 발전기 평면도.

도 4는 본 발명의 와류형 수력 발전기 단면도.

도 5는 본 발명의 와류형 수력발전기 터빈의 실시예도.

도 6은 본 발명의 와류형 수력 발전기 동작 개념도.

도 7은 본 발명의 와류형 수력 발전기 실시예도로서,

본 발명의 구성요소는 크게 물이 최초로 유입되는 수평형 유도관(100)과, 수평형 유도관의 끝단에 설치되는 와류형 유도관(200)과, 와류형 유도관의 하단에 설치되는 호퍼(300)와, 호퍼의 하단에 설치되는 터빈(400)과, 터빈에 연결되는 발전기(500)로 이루어진다.

상기 수평형 유도관(100)은 단면이 유(U)자 형태로 구성되어 상부가 오픈되고 3면이 폐쇄된 형태이며, 내측에 형성되는 홈을 통해 물이 유입되도록 하는 수단이다.

수평형 유도관(100)의 형태는 다양화할 수 있는바, 본 발명의 실시예에서는 바닥면과 사이드면이 직선형태로 연장 설치되지만, 사이드면을 곡면 형태로 제작할 수도 있고, 꺽어진 직선 형태로 제작할 수 있음은 물론이다. 아울러, 기존의 도랑등에 설치된 원통형 관을 이용할 수도 있다.

상기 와류형 유도관(200)은 상하부가 오픈된 원통형태로서 수평형 유도관(100)의 끝단에 부착되어 수평형 유도관(100)을 통과한 물이 인입되면서 와류형태로 회전할 수 있도록 하는 수단으로, 적어도 수평형 유도관의 너비보다 2배의 지름을 갖도록 하여 수평형 유도관(100)을 통과한 물이 와류형 유도관(200)을 만나면서 회전이 이루어지도록 한다. 와류형 유도관(200)의 최소한의 지름이 수평형 유도관(100) 너비의 2배이어야 하며, 바람직하게는 3배 내지 4배가 적당하다.

그리고, 수평형 유도관(100)을 통과한 물이 와류형 유도관(200)을 만나게 되면 와류형 유도관(200)의 벽면에 부딪치면서 더 나아갈데가 없어서 벽면을 따라 회 전하게 되며, 이에 따라 회오리 바람과 같은 형태로 회전하게 된다. 따라서 벽면에 위치하는 물이 회전력을 갖게 되면 중앙부에 위치하는 물이 회전력을 전달받아 빠른 속도로 회전하면서 아래로 하강하게 된다. 실제로 벽면을 따라 이동하는 물이 회전하게 되면 회전동력을 중앙으로 전달하기 때문에 벽면을 따라 회전하는 물은 천천히 회전하지만 중앙부위로 갈수록 회전동력을 더 많이 전달받게 되어 회전속도가 점차 빨라지게 되며 나선형으로 회전하면서 아래로 하강하게 된다.

상기 호퍼(300)는 와류형 유도관(200)의 하단에 일체형으로 제작되거나 용접 접합에 의해 부착되는 것으로 와류형 유도관(200)을 통해 회전되는 물이 인입되면서 보다 더 빠른 속도로 통과시키는 수단이다.

즉, 호퍼(300)는 상부보다 하부의 지름이 짧은 원뿔 형태이기 때문에 물이 호퍼(300)의 인입부에서 출력부로 통과하면서 나선형으로 회전하는 물의 회전력이 배가되어 유속이 매우 빨라지게 되는 것이다.

결국, 호퍼(300)를 설치하게 되면 인입부와 출력부의 지름이 다른 관계로 호퍼를 통과하면서 물이 빠른 속도로 회전하게 되고 이에 따라 유속의 흐름이 급격히 빨라지게 된다.

이는 물을 체운 병을 꺼꾸로 들고 물을 회전시키면서 빼낼때 물이 빠른 속도로 배출되는 것과 동일한 원리로서, 병의 입구가 작고 본체가 클 경우 병을 흔들어서 내부의 물을 회전시키게 되면 병속에 들어있는 물을 빨리 배출하는 것과 비슷하다.

아울러, 수평형 유도관(100)에는 수위조절용 홈(110)을 더 형성해야 하는바, 이는 와류형 유도관에 물이 인입될때 물이 넘치게 되면 와류가 발생되지 않기 때문이다.

즉, 와류형 유도관(200)에 인입되는 물이 넘치지 않아야 와류형 유도관(200)의 벽에 부디치면서 회오리 형태로 회전할 수 있는데, 만약에 와류형 유도관(200)으로 물이 넘치게 되면 회오리 형태로 회전하지 않게 되어 유속의 흐름에 변화를 줄 수 없게 된다.

따라서, 본 발명에서는 수평형 유도관(100) 일측에 수위조절용 홈(110)을 형성하여 일정량 이상의 물은 와류형 유도관(200)을 진입하기전에 옆으로 배출되도록 하여 와류형 유도관(200)에는 항상 일정한 수위의 물이 공급되도록 하였다.

상기 터빈(400)은 호퍼(300)의 하단에 부착하는바, 호퍼(300)를 통과한 물의 흐름에 따라 자연스럽게 회전할 수 있도록 도 5에 도시한 형태의 나선형 터빈 날개부(430)를 삽입한다. 그리고, 터빈(400)은 베어링(410)을 이용해 고정하여 베어링을 기준으로 자연스러운 회전운동이 가능토록 한다. 물론 터빈의 자연스러운 회전을 위해 다른 고정수단을 더 부가할 수도 있으며 이러한 터빈 고정기술은 일반적이기 때문에 더이상의 설명은 생략한다.

상기 발전기(500)는 터빈(400)에 연결되어 터빈의 속도에 상응한 회전을 일으켜 전기를 생산토록 하며, 필요에 따라서 중간기어(420)를 통해 터빈과 연결되도록 하는바, 이는 터빈(400)의 위치와 발전기(500)의 설치위치에 따라서 설계를 용이하게 하기 위함이다.

즉, 터빈(400)의 기어와 발전기(500)를 곧바로 연결할 수 도 있고, 필요에 따라서 다수개의 동력전달용 중간기어를 설치하여 연결할 수도 있다.

도 7은 본 발명의 실시예로서, 터빈과 발전기를 다단으로 설치하여 1차 터빈(400)을 통과한 물이 2차 터빈(400a)으로 유도되어 다시한번 회전하면서 2차 발전기(500a)를 통해 전력을 생산할 수 있는 구조이다. 즉, 호퍼(300) 하부에 다단으로 터빈 및 발전기를 설치하여 발전효율을 극대화시킬 수있다.

이하에서 본 발명의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도랑이나 기타 관계수, 강 및 바다 등을 흐르는 물의 출력단에 수평형 유도관(100)을 설치하여 물이 수평형 유도관으로 인입되도록 한다. 상기 수평형 유도관(100)에는 수위조절용 홈(110)이 형성되어 있어서 많은 물이 수평형 유도관(100)으로 인입될 경우에는 수위조절용 홈(110)을 통해 일정량이 빠져나가도록 한다.

수평형 유도관(100)을 통과한 물은 와류형 유도관(200)에 진입하면서 와류형 유도관(200)의 벽에 부딪치면서 회전한다.

와류형 유도관(200)을 통해 회전하는 물은 호퍼(300)를 거치면서 유속이 더 빠르게 변환되어 호퍼(300)의 벽을 따라 회전하면서 동시에 유속이 빨라진 상태로 출력된다.

호퍼(300)의 하부에 설치된 터빈(400)은 호퍼(300)를 통과하는 물을 제공받아 베어링(410)을 기준점으로 나선형 터빈 날개부(430)가 빠른 속도로 회전하게 되며, 터핀(400)의 회전동력은 중간기어(420)를 거쳐 발전기(500)로 제공된다.

이에 따라 발전기(500)는 물의 회전 에너지를 최대화한 상태로 전기를 생산 하게 된다.

결국, 본 발명은 소형이면서도 물의 유속을 빠르게 하기 위한 방법으로 어떠한 에너지도 없이 단순한 물리적인 구조로 만들어서 빠른 유속을 이용하여 전기생산을 극대화할 수 있게 된다.

또한, 장마나 비가 많이 와서 물의 유입량이 늘 경우 수위조절용 홈(110)을 통해 배출시킴으로서 일정 수위를 유지한 상태로 와류형 유도관(200)에 물이 공급되도록 하여 회전력을 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.

아울러, 비록 본 발명이 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어지지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

도 1은 본 발명의 와류형 수력 발전기 사시도.

도 2는 본 발명의 와류형 수력 발전기 정면도.

도 3은 본 발명의 와류형 수력 발전기 평면도.

도 4는 본 발명의 와류형 수력 발전기 단면도.

도 5는 본 발명의 와류형 수력발전기 터빈의 실시예도.

도 6은 본 발명의 와류형 수력 발전기 동작 개념도.

도 7은 본 발명의 와류형 수력 발전기 실시예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 수평형 유도관

110: 수위조절용 홈

200: 와류형 유도관

300: 호퍼

400: 터빈

410: 베어링

420: 동력중계용 기어

430: 나선형 터빈 날개부

500: 발전기

Claims (4)

1. 바닥면과 양사이드면이 결합되어 그 중앙으로 물이 일방향으로 흐르도록 단면이 유(U)자 형태로 이루어진 수평형 유도관(100)과;

   상기 수평형 유도관의 끝단에 설치되며, 와류를 일으키기 위해 수평형 유도관의 너비에 비해 적어도 2배의 지름을 갖는 원통형상의 와류형 유도관(200)과;

   상기 와류형 유도관의 하단에 설치되어 유속을 빠르게 변화시키는 호퍼(300)와;

   상기 호퍼의 하단에 설치되어 호퍼를 통과한 물을 이용하여 회전하는 터빈(400)과;

   상기 터빈에 연결되어 터빈의 회전동력을 제공받아 자체 회전하면서 전기를 일으키는 발전기(500)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 와류형 수력 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수평형 유도관(100)의 일단에는 물의 수위를 조절하기 위한 수위조절용 홈(110)을 더 형성한 것을 특징으로 하는 와류형 수력 발전기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 터빈(400)은 회전량을 증가시키기 위해 나선형 터빈 날개부(430)를 부착하여 이루어진 것을 특징으로 하는 와류형 수력 발전기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 터빈(400)과 발전기(500)는 호퍼 하부에 다단으로 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 와류형 수력 발전기.

Images