KR20100128187A

KR20100128187A - 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템

Info

Publication number: KR20100128187A
Application number: KR1020090046680A
Authority: KR
Inventors: 이용인
Original assignee: 이용인
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-07
Also published as: KR101080039B1

Abstract

본 발명은 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물탱크에 직결된 타워에 풍차와 열변환 시스템을 설치하여 물탱크를 타워의 일부분으로 활용함으로써, 풍력하중과 전체하중을 극복하게 하고 물탱크에 온수를 저장하는 저탕조의 역할을 겸하게 되고, 온수탱크와 물탱크의 온도를 따로 설정하고 저장하여 이용하는 2중 저장 방식과 두 저장장치를 유압시스템과 연계해 제어하는 방식으로 시스템 및 온수의 효율적 이용을 도모하며, 상기 타워 및 열변환 시스템에 고정된 물탱크를 관리에 있어서는, 물탱크에 풍차의 구동축과 연결된 여러 가지 장치를 설치하여 물탱크의 청결을 연중 유지하고 물의 활성화(活性化)가 이루어지게 하고, 상기 풍차와 타워, 열변환 시스템 및 물탱크, 동력을 직결하여 비용 절감과 에너지 손실을 최소화하고, 2중 열저장 방식으로 풍황에 따라 일정한 온도의 온수를 이용할 수 있으며 여름철 온수의 수요가 적을 시에는 여분의 풍력에너지를 수질개선에 이용할 수 있으며, 1차 에너지의 자급률을 높인 동시에 화석연료의 사용을 줄여 지구온난화 방지에 도움을 줄 것이며 특히 연간 평균 풍속이 높은 해안지방, 도서 및 산간지역에서 활용이 용이하고 유압펌프의 부하와 출력 토크가 알맞은 다익형 풍차를 이용하면 전국 대부분 지역에서 상용화할 수 있어 생활환경개선 및 농업작물 재배 등 다용도로 이용할 수 있는 특징이 있다.

풍력, 유압식 열변환시스템, 물탱크, 수질정화시스템, 생활용수 활성화장치

Description

풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템{Hydraulic Heat changing-equipment of use Wind force and Water-tank Quality of water a purifier with bond Hybrid System}

본 발명은 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력의 에너지 변환 효율을 향상시킴으로써, 일반가정이나 사업장에서 풍력을 이용하여 온수의 공급과 난방에 사용할 수 있고, 물탱크의 수질관리와 청결을 유지하며, 풍차 등의 시스템을 지지해주는 타워를 물탱크에 연결 설치함으로써, 시스템을 소형화하고 구조의 단조로움과 설치비용을 절감하고, 온수와 냉수의 온도를 동시에 설정 관리하여 온수 및 생활용수를 편리하게 이용하게 하며, 풍력을 활용하여 물탱크 내의 물을 활성화하고 청결하게 유지할 수 있는 풍력을 이용한 에너지 변환 및 저장에 관한 것이다.

풍력의 이용은 풍차를 통해 풍력을 추출하여 ①발전기를 통해 전력을 생산하는 방법과 ②물, 기름 등의 펌프를 이용하여 펌핑 및 온수를 생산하는 방법 그리고 ③원심펌프 등 마찰력을 이용해 직접 온수를 생산하는 방법이 있다.

풍력은 입력의 변동이 크므로 저장이 필수적이고 이것을 열의 형태로 저장하면 저탕조(貯湯漕)로 안전하면서 싼 가격으로 저장할 수 있으며 실제 에너지 수요도 난방, 급탕 등 비교적 저온의 열에너지 수요가 대부분이다.

풍력 열교환의 또 다른 이점은 열역학 제 2 법칙에서 알 수 있듯이, 다른 형태의 에너지를 열에너지로 변환할 때는 모든 손실 에너지가 열로 바뀌기 때문에 에너지 손실이 없다는 점이다.

유압 펌프는 저속에도 큰 토크를 흡수할 수 있기 때문에 바람의 세기에 관계없이 높은 풍차효율을 얻을 수 있다.

유압식 열변환의 원리를 살펴보며, 일반적인 유압식 열변환의 예를 나타낸 도 1에 도시한 바와 같이, 풍차(1)가 유압펌프(4)를 회전시키면 풍차의 구동토크에 비례하는 압력이 발생하며, 펌프 출구에서 송출되는 압력유가 관로속의 유량제어밸브(12)와 같은 오리피스(orifice)를 지날 때 압력이 강하되면서 열이 발생하게 된다. 이때 열이 발생하는 것은 교축로 출구에서 기름 분자들 사이에 격렬한 마찰이 일어나기 때문이다. 따라서 오리피스 전후에서 압력이 강하하고 발생한 열이 관속으로 흐르는 기름 자체를 가열하므로 기름의 온도가 상승한다. 이 열변환장치(14)에서 오일이 에너지를 물에 전달하여 저탕조(11)에 저장하여 이용한다. 여기서 외부로부터 열전달을 완전히 차단하면 유체의 압력 에너지는 모두 열에너지로 바뀌게 되므로 에너지 손실은 영으로 된다. 펌프에서의 내부 누설, 기계적 마찰, 관로내 벽면에서의 마찰 등에 의하여 발생하는 에너지는 모두 열에너지로 변환되므로 에너지 변환 효율이 낮아지는 일은 없다.

상기 풍력을 전기에너지로 변환하는 장치에서는 증속기와 발전기의 전기 기계적 손실이 많은 단점이 있는데 반해 풍력 열변환은 기계적 손실도 모두 열로 바뀌기 때문에 효율이 높은 장점이 있으며, 실제 에너지 수요도 바람이 많은 겨울철에 난방 등 온수사용에 많아 풍력의 효율적 측면에서 중요하다.

기존의 유압식 풍력열변환시스템은 도 1에 도시한바와 같이 수십 kw급 2-3익의 프로펠라형 풍차를 이용해 상기 유압식 열변환 원리로 온수를 생산하여 양어장 등에 공급한 사례가 해외에서 있다.

따라서 풍력을 이용한 유압식 열변환 시스템을 1kw급 내외의 소형풍차와 결합하여 개별 난방 등 실제 온수를 이용할 수 있는 시스템의 도입의 문제가 대두된다.

또한 여름철과 같이 온수 수요가 적은 계절에 여분의 에너지를 다른 용도로 이용할 수 있는 시스템 도입이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

유압펌프와 부하(토크)가 잘 맞고 저풍속에서 토크 특성이 좋은 다익형풍차를 비롯한 소형풍차와 결합한 소형 유압식 열변환시스템으로 개별 난방 및 온수 공급에 목적이 있다.

또한 여름철과 같이 온수 수요가 적은 계절에 여분의 에너지를 수질 정화 및 개선에 이용하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 실현하기 위해 풍차, 유압식 열변환 시스템, 물탱크 순서로 구조를 단조롭게 하여 물탱크와 타워에 시스템 하중 및 풍하중을 극복하게 한다.

동력의 전달에 있어서도 풍차의 구동축을 유압식 열변환스시템과 물탱크 수질정화 시스템에 동시에 직결하여 에너지 손실을 막고 물탱크 수질정화 시스템에 이용된 동력을 재생하여 구동축에 전달하여 하나의 풍차 동력으로 두 시스템을 동시에 가동하여 비용의 절감과 구조의 단조로움, 에너지 이용의 효율화를 이루는 유압식 풍력 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템을 제공한다.

또한, 온수의 저장 방식에서도 온수의 2중 저장 방식을 택하고 열변환시스템과의 유기적 제어시스템을 가동한다. 온수의 저장은 열교환기를 온수탱크에 설치하여 구조의 단조로움과 열교환 효율을 높이고, 풍량이 많을 시 여분의 열에너지를 물탱크에 저장하여 온수와 냉수를 효율적으로 이용하여 변동이 심한 풍력을 저장하 여 일정한 온도의 온수를 공급하는 문제와 풍력의 입력에 따른 유압식 열변환 시스템의 가동 및 시스템 제어에 관한 문제를 해결하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 바람의 영향으로 회전되는 풍차와, 상기 풍차의 회전에 따른 풍력을 운동 에너지로 변환하여 수직방향으로 전달하는 구동축으로 구성되는 소형 풍차부와;

상기 소형 풍차부의 구동축에 연결되되, 상기 소형 풍차부의 운동 에너지에 의해 구동되어 관을 통해 오일을 이송시키도록 압력을 가하는 유압펌프와, 상기 유압펌프의 압력에 의해 이송되는 오일을 오리피스(orifice)를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환하도록 관의 일단부에 설치되는 유량조절밸브와, 상기 유량조절밸브와 관으로 연결되어 이송되는 오일과 외부의 물과 열교환시키는 열교환기와, 상기 열교환기를 내포하도록 설치되어 열교환기를 통해 생산된 온수를 저장하는 온수탱크와, 상기 열교환기와 유압펌프 사이에 관에 의해 연결되어 오일을 저장하는 오일탱크로 구성되는 유압식 열변환장치와;

상기 소형 풍차부의 구동축 끝단부에 연결되어 구동축의 회전에 의해 공기를 일측으로 이송시키는 공기펌프와, 상기 공기펌프의 하단부에 설치되어 내부에 물과 다수개의 순환볼이 저장되는 물탱크몸체와, 상기 물탱크몸체의 상부면에 관통 형성되면서 일측이 공기펌프의 일단부에 관통 연결되어 내부를 통해 공기의 이송을 유도하는 수중구동축과, 상기 수중구동축의 끝단부에 설치되어 내부에 이송되는 공기 를 기포로 변환시키는 기포발생기와, 상기 수중구동축의 외주연에 설치되어 기포발생기에서 배출된 기포가 물의 상승을 일으키면서 물의 운동에너지를 일부 재생할 수 있는 다수개의 터빈과, 상기 터빈과 터빈 사이인 수중구동축의 외주연에 설치되어 물탱크 내부 물의 흐름과 순환볼의 움직임을 유도하는 다수개의 수중날개로 구성되는 물탱크부와;

상기 가열된 온수를 온수탱크와 물탱크몸체에 2중으로 저장하고 저장된 온수를 이용하기 위해 설치되는 장치들과 연결되어 전기적인 신호에 의해 제어하는 컨트롤러와;

상기 물탱크몸체 상단에 물탱크연결링이 설치되고, 상기 물탱크연결링에 시스템받침대가 고정 설치되어 연결되는 타워;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템은 에너지의 이용 및 풍황에 따른 온수의 저장과 이용의 효율화를 높여 가정이나 사업장에서 풍력을 온수와 난방에 사용할 수 있고, 물탱크의 수질관리와 청결을 유지하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 풍차 등의 시스템을 지지해주는 타워를 물탱크에 연결 설치함으로써, 물탱크를 설치할 건물 자체를 타워의 일부분으로 이용하기 때문에 타워 를 비롯한 시스템을 소형화하며 시스템 구조를 단조롭게 하고 설치비용을 절감한다.

따라서 본 발명은 1차 에너지의 자급률을 높인 동시에 화석연료의 사용을 줄여 지구온난화 방지에 도움을 줄 것이며 특히 연간 평균 풍속이 높은 해안지방, 도서 및 산간지역에서 활용이 용이하고 피스톤 유압펌프의 부하와 풍차 출력 토크가 알맞은 다익형 풍차를 이용하여 전국 대부분 지역에서 상용화할 수 있어 생활환경개선 및 농업작물 재배 등 다용도로 이용할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 풍력을 추출하여 운동에너지로 전환하는 풍차와, 상기 풍차의 회전에 따른 운동 에너지를 수직방향의 구동축으로 전달하도록 구성되는 소형 풍차부와;

상기 소형 풍차부의 구동축에 연결되어 구동하며 관을 통해 오일을 이송시키도록 압력을 가하는 유압펌프와, 상기 유압펌프의 압력에 의해 이송되는 오일을 내부에 설치된 오리피스(orifice)를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환하도록 관의 일단부에 설치되는 유량조절밸브와, 상기 유량조절밸브와 관으로 연결되어 이송되는 오일과 외부의 물과 열교환시키는 열교환기와, 상기 열교환기를 내포하도록 설치되어 열교환기를 통해 가열된 온수를 저장하는 온수탱크와, 상기 열교환기와 유압펌프 사이에 관에 의해 연결되어 오일을 저장하는 오일탱크로 구성 되는 유압식 열변환장치와;

상기 소형 풍차부의 구동축 끝단부에 연결되어 구동축의 회전에 의해 공기를 일측으로 이송시키는 공기펌프와, 상기 공기펌프의 하단부에 설치되어 내부에 물과 다수개의 순환볼이 저장되는 물탱크몸체와, 상기 물탱크몸체의 상부면에 관통 형성되면서 일측이 공기펌프의 일단부에 연결되어 내부를 통해 공기의 이송을 유도하는 수중구동축과, 상기 수중구동축의 끝단부에 설치되어 내부에 이송되는 공기를 기포로 변환시키는 기포발생기와, 상기 수중구동축의 외주연에 설치되어 회전되는 다수개의 터빈과, 상기 터빈과 터빈 사이인 수중구동축의 외주연에 설치되어 회전하면서 물의 흐름과 순환볼의 운동을 유도하는 다수개의 수중날개로 구성되는 물탱크부와;

상기 물탱크몸체 상단에 물탱크연결링이 설치되고, 상기 물탱크연결링에 시스템받침대가 고정 설치되어 연결되는 타워;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 시스템을 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 시스템을 나타낸 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 물탱크부를 나타낸 개략도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스크류 공기펌프와 수중구동축 및 기포발생기를 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 베인공기펌프를 나타낸 개략도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수중날개와 순환볼의 움직임을 나타낸 개략도이다.

도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템은 소형 풍차부(100)와, 유압식 열변환장치(200)와, 물탱크부(300)와, 컨트롤러(22)로 구성된다.

상기 소형 풍차부(100)는 도 2를 참고하여, 바람의 영향으로 회전되는 풍차(1)와, 상기 풍차(1)의 회전에 따른 운동 에너지를 수직방향으로 전달하는 구동축(3)으로 구성되는데, 상기 구동축(3)은 풍차(1)에서 추출된 운동에너지를 수직방 향으로 전달하기 위해 베벨기어(2)에 의해 상호 연결되어 수직으로도 구동축(3)이 더 형성된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 유압식 열변환장치(200)는 소형 풍차부(100)의 구동축(3)에 연결되는데, 상기 소형 풍차부(100)의 운동 에너지에 의해 구동되어 관을 통해 오일을 이송시키도록 압력을 가하는 유압펌프(4)와, 상기 유압펌프(4)의 압력에 의해 이송되는 오일을 내부에 설치된 오리피스(orifice)를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환하도록 관의 일단부에 설치되는 유량조절밸브(12)와, 상기 유량조절밸브(12)와 관으로 연결되어 이송되는 오일과 외부의 물과 열교환시키는 열교환기(13)와, 상기 열교환기(13)를 내포하도록 설치되어 열교환기(13)를 통해 가열된 온수를 저장하는 온수탱크(14)와, 상기 열교환기(13)와 유압펌프(4) 사이에 관에 의해 연결되어 오일을 저장하는 오일탱크(14)로 구성된다.

여기서, 상기 유압펌프(4)는 구조가 간단하고 저속회전과 저압에서 효율이 높은 기어펌프, 다익형풍차와 부하가 알맞은 피스톤펌프 등을 사용하는데 유압펌프의 종류에 따라 직결 또는 증속하여 연결 할 수 있으며, 증속시 증속기(52)를 통해 증속한다. 이때, 상기 증속기(52)는 시스템의 설치된 장소의 풍황(풍량)과 풍차 로터직경에 따른 회전수 및 풍차의 종류에 따라 차이가 있으며 유압펌프(4) 구동에 알맞은 압력과 회전수를 제공한다.

그리고, 상기 풍력의 입력변동이 심하기 때문에 릴리프밸프(26)를 장착하여 설정 압력보다 높으면 자동적으로 오일을 오일탱크(29)에 보낸다. 이때, 상기 릴리 프밸프(26)는 유압펌프(4)와 유량조절밸브(12) 사이의 관에 설치된다.

또한, 상기 유량조절밸브(12)는 오리피스(orifice)를 만들어 압력을 강하시킴으로써 기계적 압력에너지를 열에너지로 변환하는 역할을 한다. 이 유량조절밸브(12)는 압력보상기능을 가지고 있으므로 이 밸브를 지나는 최대 유량을 원하는 값으로 결정할 수 있고, 따라서 풍속 변화에 무관하게 일정량의 기름을 방출하고 풍차가 과속 (over-run)되는 것을 막는다.

여기서, 상기 유량조절밸브(12) 출구에 스프링 부하 체크밸브(27)를 사용하여 유량조절 밸브 출구압을 대기압보다 약간 높게 유지시켜 줌으로써 유량조절밸브(7)가 캐비테이션에 의하여 손상되는 것을 방지한다.

그리고, 상기 열교환기(13)는 수냉식 유압용 냉각기의 원리를 이용한 사관식 냉각기로 온수탱크(14) 내에서 열을 교환한다. 이때, 상기 온수탱크(14)의 온수를 외부에 공급하고 회수하도록 온수탱크(14)의 일단부에 온수공급관(16)과 온수회수관(17)이 관통 연결되고, 상기 온수탱크(14) 내의 일부 온수와 물탱크몸체(11) 내의 냉수와 교환할 수 있도록 상호 간에 온수방류관(20)과 냉수공급관(19)이 관통 연결된다.

또한, 기타 오일여과기(28)를 통해 오일을 여과하여 오일탱크(29)에 저장하며, 압력계(25),온도계(30) 등 계측기와 온수온도센서(31), 냉수온도센서(33) 등 센서가 컨트롤러(22)에 연결되어 있으며, 외부로부터의 열 출입을 막기 위해 주요 장치에 보온벽(34)을 설치한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 물탱크부(300)는 소형 풍차부(100)의 구동축 끝단부에 연결되어 구동축의 회전에 의해 공기를 일측으로 이송시키는 공기펌프(5)와, 상기 공기펌프(5)의 하단부에 설치되어 내부에 물과 다수개의 순환볼(9)이 저장되는 물탱크몸체(11)와, 상기 물탱크몸체(11)의 상부면에 관통 형성되면서 일측이 공기펌프(5)의 일단부에 관통 연결되어 내부를 통해 공기의 이송을 유도하는 수중구동축(3)과, 상기 수중구동축(3)의 끝단부에 설치되어 내부에 이송되는 공기를 기포로 변환시키는 기포발생기(10)와, 상기 수중구동축(3)의 외주연에 설치되어 기포발생기(10)에서 배출된 기포가 물의 상승을 일으키면서 발생하는 물의 운동에너지를 일부 재생할 수 있는 다수개의 터빈(7)과, 상기 터빈(7)과 터빈(7) 사이인 수중구동축(3)의 외주연에 설치되어 물탱크 내부 물의 흐름과 순환볼(9)의 움직임을 유도하는 다수개의 수중날개(8)로 구성된다.

여기서, 상기 공기펌프(5)는 물탱크몸체(11)에 기포를 넣어 주어 용존산소량을 증가시켜 수질을 개선하고 생산된 기포는 물탱크몸체(11) 중앙의 물의 상승 흐름을 유도한다.

또한, 상기 공기펌프(5)는 도 5와 도 6을 참고하여 스크류 공기펌프(400)와 베인공기펌프(500)로 구분하는데, 상기 스크류 공기펌프(400)는 저용량 물탱크의 비교적 고속 회전에 베인공기펌프(500)는 대용량 물탱크의 비교적 저속에 이용되며,두 펌프 모두 아래쪽 구동로터가 토출구(73)의 역할을 겸하며 동시에 수중구동축(6)을 연결해 동력과 공기를 전달한다.

여기서, 상기 스크류 공기펌프(400)는 도 5에 도시한 바와 같이, 구동로터(64), 구동나사(65), 종동나사(66) 슬라이드(68), 하우징(67) 등으로 구성된다. 이때, 상기 스크류 공기펌프 구동원리에 있어서, 구동로터(64)에서 발생된 토크로 구동나사(65)와 종동나사(66)의 회전을 통한 공기가 축방향으로 토출되며 토출된 공기는 구동나사(65) 끝부분에 홈을 뚫어 만든 토출구(73)를 통해 구동로터(64)를 관통하여 토출되어 물탱크몸체 내로 공기를 이송시킨다.

이때, 상기 스크류 공기펌프(400)를 상세히 기술하면, 상기 구동축(3)의 끝단부에 일체형으로 연결되어 회전되고, 내부가 중공되는 구동로터(64)와; 상기 구동로터(64)의 외주연에 연결되고, 상단면에 외부의 공기가 유입되도록 공기펌프흡입구(72)가 형성되는 하우징(67)과; 상기 하우징(67)의 내부에 구비되되, 상기 구동로터(64)의 외주연에 일체형으로 설치되어 구동로터(64)의 회전과 동일하게 회전되는 구동나사(65)와; 상기 구동나사(65)의 외주연 양측에 맞물리도록 설치되어 구동나사(65)의 회전에 맞춰 반대방향으로 회전되는 종동나사(66)와; 상기 종동나사(66)의 외주연과 하우징(67)의 내부면 사이에 설치되는 슬라이드(68) 및 기타 스크류 공기압축기에 이용되는 부품으로 구성되며 토출구만 구동축 내로 형성된다.

또한, 상기 베인공기펌프(500)는 도 6에 도시한 바와 같이, 하우징(67)의 내부에 고무실린더(80a), 압축코일스프링(81), 베인토출관(82), 로터연결관(83), 실린더흡입구(84), 고무펌프토출구(85), 롤러(86), 동압력판(89), 정압력판(88)으로 이루어진 다수개의 다수 고무펌프(80)가 내부에 설치되고, 상기 고무펌프에 연결로터(87)를 관통하여 안이 비어있는 구동로터(64)에 장착되며, 상기 고무펌프(80)의 펌핑에 의해 공기가 공기토출구(73)를 통해 배출된다.

여기서, 상세히 기술하면, 상기 베인공기펌프(500)는 상기 구동축(3)의 끝단 부에 일체형으로 연결되어 회전되고, 내부가 중공되는 구동로터(64)와; 상기 구동로터(64)의 외주연에 연결되되, 상기 구동로터(64)가 평면의 중심부를 기준으로 편심되게 관통 형성되도록 설치되는 하우징(67)과; 상기 하우징(67)의 내부에 구비되되, 상기 구동로터(64)의 외주연에 원주방향으로 다수개 관통 설치되는 고무펌프(80)와; 상기 구동로터(64)의 외주연에 고정 설치되어 상기 다수개의 고무펌프(80)를 지지하는 연결로터(87)를 포함하여 구성되고, 상기 동압력판(89)과 정압력판(88)은 고무실린더(80a)의 양끝단부에 각각 연결 설치된다.

이때, 상기 고무펌프(80)는 고무실린더(80a)의 압축과 이완을 통해 로터(64) 속에 공기를 주입하는데 압축시 로터(64)의 동력으로 압축이 이루어지고 이완시 압축코일스프링(81)의 축척된 탄성에너지에 의해 이완된다.

그리고. 상기 고무실린더(80a)는 동압력판(89)과 정압력판(88)에 의해 압축과 이완이 되며 동압력판(89)은 롤러(86)와 실린더흡입구(84)가 장착되고 다수개의 베인토출구(90)가 길게 형성되어 있는 베인토출관(82)에 고정 연결된다. 베인토출관(82)은 고무실린더(80a)의 압축시 베인토출구(90)를 통해 공기를 고무펌프토출구(85)를 거처 공기펌프토출구(73)에 토출한다.

또한, 상기 정압력판(88)은 로터연결관(83)에 고정되고, 상기 정압력판(88)과 동압력판(89) 사이에는 압축코일스프링(81)이 설치되며, 상기 베인토출관(82)이 로터연결관(83)을 관통하여 왕복운동한다.

이때, 상기 로터연결관(83)의 끝부분에는 구동로터(64)에 연결할 수 있도록 수나사가 형성되고, 상기 로터연결관(83)의 끝부분에 고무펌프토출구(85)가 연결되 어 상기 고무펌프(89)의 압축과 이완을 통한 고무펌프토출구(85)의 개폐에 의해 구동로터(64) 안에 공기가 전달되고 역 흐름이 차단된다.

그리고, 상기 하우징(67)은 클러치연결부(69)와 연결되어 공기펌프클러치(59)에 의해 정지되어 있으며 이때, 상기 롤러(86)가 하우징 내부 벽면을 따라 운동하며 고무펌프(80)에 동력을 전달한다.

여기서, 상기 수중구동축(6)은 터빈(7)과 수중날개(8)가 연결되어 물탱크몸체(11) 속의 물의 흐름과 운동에 관여하며, 물속에 잠겨있는 수중구동축(6)에는 구동축기포발생구(70)가 있어 기포를 발생시키며 설정풍속 이상에서 공기 토출량이 많아지면 남은 공기는 수중구동축(6) 끝에 연결되어 있는 기포발생기(10)에서 기포를 발생시킨다.

또한, 상기 터빈(7)은 물탱크의 용량에 따라 3개 이상 다수 개를 설치하며 아래쪽으로 갈수록 그 크기가 작아진다. 이때, 상기 터빈(7)의 역할은 기포가 상승하면서 수중구동축(6) 중심으로 생긴 물의 운동에너지를 재생하여 수중구동축(6)에 전달하며 물의 흐름에도 관여한다. 단 공기펌프클러치(59)가 클러치연결부(69)에서 분리가 되면 공기펌프(5)의 동력은 완전히 차단되고 기포의 발생은 일어나지 않고 이때 터빈(7)은 수중구동축(6) 주위의 물을 회전 상승시키는 역할을 한다.

상기 수중날개(8)는 도 7에 도시한 바와 같이, 물의 흐름(소용돌이 운동)을 일으키고, 상기 순환볼(9)을 물탱크몸체(11) 벽까지 유도하며 유연성과 탄력성 있게 제작하여 시스템의 시동 운전 시 많은 동력을 물의 흐름에 이용되는 것을 방지한다.

여기서, 상기 순환볼(9)은 겉에 작은 융모가 있고 물과 밀도가 같은 재질로 제작하여 물의 흐름과 같이 운동하며 수중날개(8)에 의해 물탱크몸체(11) 벽면까지 유도되어 벽면을 따라 나선형 하강운동을 한다. 이때, 상기 융모는 순환볼(9)이 물탱크몸체(11)와의 접촉면적을 넓혀 물탱크 벽면에 부유물질이 흡착되는 것을 방지한다.

따라서, 상기 수중구동축(6) 및 기포발생기(10)와 터빈(7)과 수중날개(8)와 순환볼(9)은 물속 유체운동에서 상보적이며 물의 순환과 용존산소량(DO) 증가로 인한 수질개선 및 물탱크 청결유지에 기여한다.

이처럼, 물탱크 속의 물의 순환운동은 안쪽은 나선형 상승운동, 바깥쪽은 나선형 하강운동의 자유소용돌이운동의 일종이며, 물의 운동 속도가 회전축으로부터의 거리에 반비례하는 회전운동하게 되고 수중날개(8)에 의해 물탱크 벽면까지 유도된 순환볼(9)은 물 흐름의 빠르기에 의해 물탱크 벽면을 따라 나선형 하강운동을 한다. 또한 공기펌프(5)가 물탱크 속에 공기를 보내면서 소비된 에너지는 일정정도 터빈(7)에 의해 재생하여 다시 시스템에 반환되며, 물은 점성이 약하므로 물을 회전시키는데 에너지 소비는 거의 없고 소비된 소량의 에너지는 열에너지로 전환되기 때문에 본 시스템과 어긋나지 않는다.

상기 공기펌프(5)에 공기여과기와 물탱크 속에 부유물질을 거를 수 있는 거름장치를 따로 설치할 수도 있으며, 수중구동축(6)에 감속장치를 설치하여 풍차 및 유압식 열변환시스템과 물탱크 내부의 운동을 원활히 조절할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 타워와 물탱크의 결합을 나타낸 사시도이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 타워(23)와 물탱크몸체(11)를 결합한 라티스 설치구조로 기존의 건물과 물탱크에 타워(23)를 설치해 물이 담긴 물탱크몸체(11)와 타워가 풍차(1) 및 시스템의 하중과 풍차의 풍하중을 극복하게 하고, 시스템을 설치하는데 용이하게 해준다.

여기서, 상기 물탱크몸체(11)와 타워(23)를 연결하고 물탱크몸체(11) 위에 시스템받침대(60)를 타워와 함께 고정 설치한다. 이때, 상기 물탱크몸체(11)는 인장 및 압축 강도를 높게 제작하며 상단에 물탱크연결링(61)을 고정 설치하며 물탱크체결부(62)에서 타워(23)에 고정한다.

또한, 상기 시스템받침대(60)는 열변환시스템과 온수탱크(14)의 하중을 물탱크몸체(11) 및 타워(23)에 전달하며 수중구동축(6)이 연결되도록 구동축연결구(63)가 있다.

따라서, 상기 물탱크는 자체를 타워의 일부분으로 이용하여 시스템에 작용하는 하중과 풍하중을 극복하게 하고, 온수를 저장하는 저탕조로 이용하며, 물을 활성화하는 장치로 활용하여 비용의 절감과 구조 역학적으로 시스템의 안정을 도모한다.

상기에서 기술된 본 발명의 구조 및 구성을 통한 본 발명의 제어시스템을 이하에 기술하기로 한다.

계절과 풍량, 온수의 수요 및 이용에 따른 시스템의 제어 장치가 필수적인데 본 발명의 제어시스템은 컨트롤러(22)에서 수행한다.

도 3에 도시한 바와 같이 컨트롤러(22)는 온수탱크(14)의 수위조절 및 온수탱크(14)와 물탱크몸체(11)의 온도를 컨트롤하고 온도와 압력 등 계측을 위한 장치다.

여기서, 상기 온수탱크(14)와 물탱크몸체(11)는 특정 온도를 설정하여 운전되는데 온수탱크(14)에 온수온도센서(31)와 물탱크몸체(11)에 냉수온도센서(33)를 전원과 연결된 컨트롤러(22)에서 제어하며, 필요에 따라 각기 다른 온도의 물을 사용할 수 있는 2중 온수저장시스템이고, 물탱크몸체(11)의 물과 상수도(18)의 물을 혼합하는 온도조절밸브(55)를 두어 냉수사용 온도를 조절한다. 온수탱크(14)와 물탱크몸체(11) 크기의 비는 약 1: 20 정도로 적은 양의 물이 있는 온수탱크(14)에 온수를 1차로 저장하고 2차로 물탱크몸체(11)에 저장하는 이유는 온수탱크(14)의 온도를 비교적 높고 일정하게 유지하여 온수 이용 효율을 높이기 위함이다.

그리고, 상기 온수탱크(14)는 컨트롤러(22) 및 펌프(15)의 결합으로 물탱크몸체(11)와 긴밀한 알고리즘을 갖고 있다. 온수탱크(14)의 온도가 설정치보다 높으면 온수온도센서(31)가 감지하여 컨트롤러(22)에서 전자식온수방류밸브(24)를 제어하여 온수방류관(20)을 통해 온수를 물탱크몸체(11)에 보내고, 반대로 온수의 사용으로 온수탱크(14)의 수위가 낮아지면 수위센서(32)가 펌프(15)를 이용하여 냉수공급관(19)를 통해 물탱크몸체(11)에서 냉수를 온수탱크(14)로 보낸다. 이때, 여름철과 같이 온수 사용량이 적을 시 온수탱크(14)와 물탱크몸체(11)의 온도 모두 설정치 온도보다 높아지면 풍차의 동력이 유압펌프(4)가 무부하에 상태가 되도록 방향 제어밸브(53)가 유압의 흐름을 차단하여 오일이 유량제어밸브(12)의 오리피스를 거치지 않고 오일탱크(29)로 흐르게 한다. 이때 풍력은 유압펌프(4)로부터 차단되어 풍차에서 추출된 에너지는 물탱크 내부의 수질개선에만 사용하게 된다.

그러나 강풍시 풍차의 과회전으로 인한 시스템을 손실을 막기 위한 부하를 걸어주어야 하기 때문에 컨트롤러(22)에서 수동기능을 설정하여 온수온도센서(31)와 냉수온도센서(33)의 설정온도와 관계없이 방향제어밸브(53)의 작동은 되지 않는다. 이때 온수탱크(14)의 물의 온도는 계속해서 상승하기 때문에 전자식온수방류밸브(24)는 온수탱크(14)의 온수온도센서(31)가 설정온도 이상이면 온수를 물탱크에 보내지 않고 물탱크몸체(11) 외부로 흘러 보낸다. 따라서 전자식온수방류밸브(24)의 역할은 온수온도센서(31)의 감지로 온수탱크의 온수를 물탱크로 방류하고 컨트롤러(22)의 온도수동설정 시 과열방지를 위해 온수를 외부로 방출한다.

그렇게, 상기 온수탱크(14)의 설정치 온도를 40~60˚C로, 물탱크몸체(11)의 온도는 약 10~20˚C로 사용자가 임의로 컨트롤러(22)에서 직접 설정할 수 있으며 필요에 따라 물탱크를 온수 저탕조로 이용하기 위해 더욱 높은 온도로 설정할 수 있다.

그리고, 상기 압력계(25)와 온도계(30)은 계측을 위한 장치로 컨트롤러에서 출력되며 온수온도센서(31)와 냉수온도센서(33)의 온도도 컨트롤러에서 계측할 수 있고 필요에 따라 RPM측정기 등 계측장치도 추가 설치 및 계측할 수 있으며 컨트롤러(22)는 전원과 연결된다.

또한, 온수의 사용은 온수관(16)을 통해 사용하고 다시 온수회수관(17)를 통 해 회수되며, 무풍시 전기 및 화석연료를 사용하여 급가열할 수 있는 히터(54)를 온수관(16)에 연결하며 히터(54)도 컨트롤러(22)에서 제어한다.

풍력열변환의 효율을 높이기 위해 공기펌프(5)의 동력을 임으로 차단하려면 공기펌프클러치(59)를 이용하는데 컨트롤러(22)에서 제어되는 공기펌프클러치(59)가 열리면 공기펌프(5) 자체가 공회전 되면서 여기에 쓰인 동력이 유압펌프에 전달되어 온수생산에 쓰이고 반대로 닫히면 물속에 공기를 보내 기포를 생성하게 한다.

본 시스템의 이용에 있어 여름철 온수 수요가 적을 시 풍차의 효율적 이용을 위해 저회전 소형발전기와 태양전지 및 축전지를 결합하여 독립전원 또는 기존의 전력과 계통연계하여 이용할 수 있다.

도 1은 종래의 열변환 시스템을 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 시스템을 나타낸 개략도이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 시스템을 나타낸 회로도이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 물탱크부를 나타낸 개략도이고,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스크류 공기펌프와 수중구동축 및 기포발생기를 나타낸 단면도이고,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 베인공기펌프를 나타낸 개략도이고,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수중날개와 순환볼의 움직임을 나타낸 개략도이고,

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 타워와 물탱크의 결합을 나타낸 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 풍차 2 : 베벨기어 3 : 구동축

4 : 유압펌프 5 : 공기펌프 6 : 수중구동축

7 : 터빈 8 : 수중날개 9 : 순환볼

10 : 기포발생기 11 : 물탱크몸체 12 : 유량제어밸브

13 : 열교환기 14 : 온수탱크 15 : 펌프

16 : 온수관 17 : 온수회수관? 18 : 급수관

19 : 냉수공급관 20 : 온수방류관 21 : 배수관

22 : 컨트롤러 23 : 타워 24 : 전자식 온수방류밸브

25 : 압력계 26 : 릴리프밸브 27 : 체크밸브

28 : 오일여과기 29 : 오일탱크 30 : 온도계

31 : 온수온도센서 32 : 수위센서 33 : 냉수온도센서

34 : 보온벽 52 : 증속기 53 : 방향제어밸브

54 : 히터 55 : 온도조절밸브 59 : 공기펌프클러치

60 : 시스템받침대 61 : 물탱크연결링 62 : 물탱크체결부

63 : 구동축연결구 64 : 구동로터 65 : 구동나사

66 : 종동나사 67 : 하우징 68 : 슬라이드

69 : 클러치연결부 70 : 구동축기포발생구 71 : 받침대고정판

72 : 공기펌프흡입구 73 : 공기펌프토출구 80 : 고무펌프

80a : 고무실린더 81 : 압축코일스프링 82 : 베인토출관

83 : 로터연결관 84 : 실린더흡입구 85 : 고무펌프토출구

86 : 롤러 87 : 연결로터 88 : 정압력판

89 : 동압력판 90 : 베인토출구 100 : 소형 풍차부

200 : 유압식 열변환장치 300 : 물탱크부

400 : 스크류공기펌프 500 : 베인공기펌프

Claims

풍력을 추출하여 운동에너지로 전환하는 풍차(1)와, 상기 풍차(1)의 회전에 따른 풍력을 운동 에너지로 변환하여 수직방향으로 전달하는 구동축(3)으로 구성되는 소형 풍차부(100)와;

상기 소형 풍차부(100)의 구동축(3)에 연결되되, 상기 소형 풍차부(100)의 운동 에너지에 의해 구동되어 관을 통해 오일을 이송시키도록 압력을 가하는 유압펌프(4)와, 상기 유압펌프(4)의 압력에 의해 이송되는 오일을 내부에 설치된 오리피스(orifice)를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환하도록 관의 일단부에 설치되는 유량조절밸브(12)와, 상기 유량조절밸브(12)와 관으로 연결되어 이송되는 오일과 외부의 물과 열교환시키는 열교환기(13)와, 상기 열교환기(13)를 내포하도록 설치되어 열교환기(13)를 통해 가열된 온수를 저장하는 온수탱크(14)와, 상기 열교환기(13)와 유압펌프(4) 사이에 관에 의해 연결되어 오일을 저장하는 오일탱크(14)로 구성되는 유압식 열변환장치(200)와;

상기 소형 풍차부(100)의 구동축(3) 끝단부에 연결되어 구동축(3)의 회전에 의해 공기를 일측으로 이송시키는 공기펌프(5)와, 상기 공기펌프(5)의 하단부에 설치되어 내부에 물과 다수개의 순환볼(9)이 저장되는 물탱크몸체(11)와, 상기 물탱크몸체(11)의 상부면에 관통 형성되면서 일측이 공기펌프(5)의 일단부에 관통 연결되어 내부를 통해 공기의 이송을 유도하는 수중구동축(3)과, 상기 수중구동축(3)의 끝단부에 설치되어 내부에 이송되는 공기를 기포로 변환시키는 기포발생기(10)와, 상기 수중구동축(3)의 외주연에 설치되어 기포발생기(10)에서 배출된 기포가 물의 상승을 일으키면서 물의 운동에너지를 일부 재생활 수 있는 다수개의 터빈(7)과, 상기 터빈(7)과 터빈(7) 사이인 수중구동축(3)의 외주연에 설치되어 물의 흐름에 의해 이송되는 순환볼(9)을 회전에 의해 물탱크몸체(11)의 내주연으로 유도하는 다수개의 수중날개(8)로 구성되는 물탱크부(300)와;

상기 가열된 온수를 온수탱크(14)와 물탱크몸체(11)에 2중으로 저장하고 저장된 온수를 이용하기 위해 설치되는 온도조절밸브(55)와, 상기 장치들이 전기적 신호에 의해 연결되어 제어하는 컨트롤러(22)와;

상기 물탱크몸체(11) 상단에 물탱크연결링(61)이 설치되고, 상기 물탱크연결링(61)에 시스템받침대(60)가 고정 설치되어 연결되는 타워(23);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 유압식 열변환장치(200)에는,

상기 유압펌프(4)에 일정한 압력과 회전수를 제공하도록 구동축(3)과 유압펌프(4) 사이에 증속기(52)가 설치되고, 상기 유량조절밸브(12)의 출구 압력을 대기압보다 높게 유지시켜 유량조절밸브(12)가 캐비테이션에 의해 파손되는 것을 방지하도록 유량조절밸브(12)의 출구 측에 체크밸브(27)가 설치되며, 상기 온수탱크(14)의 온수를 외부에 공급하고 회수하도록 온수탱크(14)의 일단부에 온수공급 관(16)과 온수회수관(17)이 관통 연결되고, 상기 온수탱크(14) 내의 일부 온수와 물탱크몸체(11) 내의 냉수와 교환할 수 있도록 상호 간에 온수방류관(20)과 냉수공급관(19)이 관통 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 공기펌프(5)는 물탱크의 용량에 따라 대용량 시 베인공기펌프(500)와, 소용량 시 스크류 공기펌프(400) 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 베인공기펌프(500)는,

상기 구동축(3)의 끝단부에 일체형으로 연결되어 회전되고, 내부가 중공되는 구동로터(64)와;

상기 구동로터(64)의 외주연에 연결되되, 상기 구동로터(64)가 평면의 중심부를 기준으로 편심되게 관통 형성되도록 설치되는 하우징(67)과;

상기 하우징(67)의 내부에 구비되되, 상기 구동로터(64)의 외주연에 원주방향으로 다수개 관통 설치되는 고무펌프(80)와;

상기 구동로터(64)의 외주연에 고정 설치되어 상기 다수개의 고무펌프(80)를 지지하는 연결로터(87);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템.
제 4항에 있어서, 상기 고무펌프(80)는,

상기 구동로터(64)의 외주연에 끝단부가 관통 설치되면서 반대측은 연결로터(87)에 연결되고, 내부가 중공되어 공기를 구동로터(64)의 내부까지 유도하는 로터연결관(83)과;

상기 로터연결관(83)의 내부에 구비되어 외측으로 돌출 형성되고, 상기 돌출된 외주연에 다수개의 베인토출구(90)가 형성되는 베인토출관(82)과;

상기 베인토출관(82)의 끝단부 외주연에 설치되되, 상기 베인토출구(90)가 형성된 베인토출관(82)의 외주연에 압축코일스프링(81)이 설치되고, 상기 압축코일스프링(81)의 압축과 이완을 통해 외부 공기를 베인토출관(82)에 이송시키는 고무실린더(80a)와;

상기 고무실린더(80a)의 끝단면에 설치된 동압력판(89)에 고정되어 고무실린더(80a)가 하우징(67)의 내주면을 원활히 회전을 할 수 있도록 형성되는 롤러(86);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 스크류 공기펌프(400)는,

상기 구동축(3)의 끝단부에 일체형으로 연결되어 회전되고, 내부가 중공되는 구동로터(64)와;

상기 구동로터(64)의 외주연에 연결되고, 상단면에 외부의 공기가 유입되도록 공기펌프흡입구(72)가 형성되는 하우징(67)과;

상기 하우징(67)의 내부에 구비되되, 상기 구동로터(64)의 외주연에 일체형으로 설치되어 구동로터(64)의 회전과 동일하게 회전되는 구동나사(65)와;

상기 구동나사(65)의 외주연 양측에 맞물리도록 설치되어 구동나사(65)의 회전에 맞춰 반대방향으로 회전되는 종동나사(66)와;

상기 종동나사(66)의 외주연과 하우징(67)의 내부면 사이에 설치되는 슬라이드(68);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 컨트롤러(22)는 가열된 온수를 온수탱크(14)와 물탱크몸체(11)에 2중으로 저장하도록 온수온도센서(31), 냉수온도센서(33), 펌프(15), 전자식온수방류밸 브(24), 온수방류관(20), 수위센서(32)를 전기적인 신호에 의해 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템.