KR20100135580A

KR20100135580A - 소수력 발전장치

Info

Publication number: KR20100135580A
Application number: KR1020090054046A
Authority: KR
Inventors: 허일순
Original assignee: 허일순
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-12-27

Abstract

작은 낙차의 유수에 의하여 전기를 생산하는 소수력 발전장치가 개시되어 있다.

이 개시된 소수력 발전장치는 본체구조물과; 본체구조물에 승강 가능하게 설치되는 수문과; 본체구조물에 회전 가능하게 설치되며, 수문의 상부를 통하여 낙하하는 유수에 의하여 회전되는 수차와; 수차의 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 발전기와; 수문에 설치되어 수위에 따라 수문의 승강 높이를 조절하는 것으로, 수위가 높을수록 수차에 공급되는 단위 시간당 물의 공급량이 증가되도록 물공급량을 조절하는 수문승강부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

소수력 발전장치{HYDRAULIC TURBINE POWER GENERATOR}

본 발명은 유수(流水)에 의하여 회전하는 수차(水車)를 이용한 소수력 발전장치에 관한 것으로서, 상세하게는 저수된 물의 높이가 높일수록 물의 공급량을 증가시킬 수 있도록 된 구조의 소수력 발전장치에 관한 것이다.

수력발전장치는 낙하하는 유수를 이용하여 수차를 회전시켜 전기에너지를 생산한다.

최근 들어, 작은 낙차의 유수에 의하여 전기를 생산할 수 있는 구조의 소수력 발전장치에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이 소수력 발전장치는 작은 규모의 하천 등에 설치가 가능하며, 대규모 토목 공사를 수반하지 않고도 설치가 용이하므로, 경제성과 환경요인 문제를 모두 해결할 수 있다.

한편, 종래의 소수력 발전장치는 저수된 물의 높이에 따른 물의 공급량을 조절하는 구조를 개시하고 있지 않은 바, 유수의 이용효율이 낮아 발전효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 낙하하는 유수의 이용 효율을 높일 수 있도록 된 구조의 소수력 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소수력 발전장치에 있어서, 본체구조물과; 상기 본체구조물에 승강 가능하게 설치되는 수문과; 상기 본체구조물에 회전 가능하게 설치되며, 상기 수문의 상부를 통하여 낙하하는 유수에 의하여 회전되는 수차와; 상기 수차의 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 발전기와; 상기 수문에 설치되어 수위에 따라 상기 수문의 승강 높이를 조절하는 것으로, 수위가 높을수록 상기 수차에 공급되는 단위 시간당 물의 공급량이 증가되도록 물공급량을 조절하는 수문승강부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 수문승강부는, 상기 수문의 양측 상단부에 설치되어 부력에 의하여 상기 수문이 승강되도록 하는 부력통과; 상기 본체구조물과 상기 부력통 사이에 설치되어, 상기 부력통 및 상기 수문의 높이를 규제하여 물공급량을 조절하는 물공급량 조절부를 포함한다.

상기 물공급량 조절부는, 상기 부력통의 하부에 배치되며, 수위에 따라 상기 부력통에 걸리는 하중을 증가시키는 적어도 하나의 무게추와; 상기 부력통과 상기 무게추 및 상기 무게추와 상기 본체구조물을 연결하는 체인을 포함한다.

또한, 본 발명은 수문의 상단 양측에 마련되어 물의 유입을 가이드하는 낙수유도판을 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 소수력 발전장치는 수문 승강부를 통하여 수위에 따라 수문의 승강 높이를 다르게 조절함으로써 낙하하는 유수의 이용 효율을 높일 수 있다. 특히 수위가 높은 경우는 단위 시간당 더 많은 물을 공급함으로써 수차의 회전력을 높임으로써, 발전효율을 향상할 수 있다는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소수력 발전장치를 보인 부분단면 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이고, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다. 또한, 도 4는 수차(10)가 제거된 상태의 본체구조물의 요부를 보인 개략적인 사시도이다.

도면들을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치는 소규모 하천 등에 설치되는 것으로, 낙하하는 유수에 의하여 회전하는 수차(10)와, 수차(10)가 설치되며 낙하하는 물의 흐름을 안내하는 본체구조물(30)과, 수차(10)의 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 발전기(100)와, 본체구조물(30)에 승강 가능하게 설치되는 수문(41)과, 수문의 승강 높이를 조절하는 수문승강부(40)를 포함한다.

본체구조물(30)은 수차(10)에 대향되게 형성되며, 낙하하는 유수 가운데 수차(10)와 본체구조물(30) 사이로 흐르고 넘치는 이탈수를 수차(10)의 중심방향 예컨대, 도 7의 B영역으로 모으는 가압수모음부(32)를 포함한다. 이 가압수모음 부(32)는 그 상단에 외측에서 내측으로 경사지게 형성되어 이탈수를 외측에서 내측으로 모으는 경사부(32a)와, 내측 중앙부분에 형성되어 경사부(32a)에서 모아진 이탈수가 흐르는 채널(32b)을 포함한다. 따라서 가압수모음부(32)는 수문의 상단부를 통과하여 본체구조물(30)의 하방으로 낙하하는 유수 가운데 수차(10)로부터 이탈된 이탈수를 채널(32b) 내부로 모아준다.

또한, 본체구조물(30)은 가압수모음부(32)와 수차(10) 사이에 개재되는 가이드(35)를 더 포함한다. 이 가이드(35)는 수차(10)와 본체구조물(30) 사이의 틈을 최소화하여, 수차(10)의 각 수차날개에 유입된 유수가 수차(10)로부터 이탈되는 것을 억제한다. 이 가이드(35)는 가압수모음부(32)의 채널(32b)과 마주하는 중앙 부분에 형성된 가압수유입부(35a)를 포함한다. 이 가압수유입부(35a)는 가압수모음부(32)에서 모아지고 채널(32b)을 통하여 낙하하는 물이 재차 수차방향으로 유입되도록 안내한다. 이에 따라 수차(10)의 회전력을 높일 수 있다.

또한, 가압수모음부(32)는 채널(32b) 내부의 소정 위치에 채널을 통하여 낙하하는 낙수가 가압수유입부(35a)를 통하여 상기 수차(10) 방향으로 유도하는 가압수유도판(37)을 더 포함할 수 있다.

또한, 본체구조물(30)은 수문설치부(31), 수차설치부(33) 및 낙수유도부(39)를 더 포함할 수 있다. 수문설치부(31)는 상류의 물(W)이 소정 높이 이상에서 낙하하도록 벽을 이루며, 수문(41)의 승강을 지지한다. 수차설치부(33)는 수차(10)의 양측에 마련되어, 수차(10)의 회전축(11a)을 회전 가능하게 지지한다. 낙수유도부(39)는 본체구조물(30)의 상부에 마련되는 것으로, 수문(41)의 상부를 통과하여 낙하하는 유수가 수차(10)의 소정 위치로 낙하하도록 유도한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치의 요부를 보인 평면도이고, 도 6a 내지 도 6c 각각은 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치의 수문승강부의 배치 및 동작을 설명하기 위한 개략적인 측면도이다.

수문승강부(40)는 수문(41)에 설치되어 수위에 따라 수문(41)의 승강 높이를 조절한다. 여기서 상기 수문설치부(31)와 마주하는 수문(41)의 내측에는 작용롤러(47)가 설치되어, 수문(41)의 승강이 자연스럽게 이루어질 수 있도록 유도한다.

이 때, 수위가 높아지는 경우는 물의 낙하 높이가 증가되므로 다른 조건이 동일할 경우 수차(10)의 회전속도가 증가된다. 그러므로, 수위에 관계없이 단위 시간당 동일한 량의 물을 공급하는 경우 날개를 가압하는 물의 량이 부족해질 우려가 있다.

이점을 감안하여, 수문승강부(40)는 수위가 높일수록 수차(10)에 공급되는 단위 시간당 물이 공급량이 증가되도록 물공급량을 조절할 수 있다. 이를 위하여, 수문승강부(40)는 부력통(45)과, 물공급량 조절부(47)를 포함한다.

부력통(45)은 물에 비하여 비중이 낮은 재질로 이루어진 통으로서, 수문(41)의 양측 상단부에 설치되어 부력에 의하여 수문(41)이 승강되도록 하며, 수문(41) 상단부의 높이가 저수된 물의 높이에 비하여 낮은 높이를 유지하도록 한다.

물공급량 조절부(47)는 본체구조물(30)과 부력통(45) 사이에 설치되며, 부력통(45) 및 수문(41)의 높이를 규제하여 물공급량을 조절한다. 여기서, 물공급량 조절부(47)는 부력통(47)의 하부에 배치되는 무게추(48)와, 부력통(47)와 무게추(48) 를 연결하는 체인(49)을 포함한다. 무게추(48)는 수위에 따라 부력통(47)에 걸리는 하중을 증가시키는 것으로, 하나 또는 복수개 구비된다. 상기 체인(49)은 추가적으로 무게추(48)와 본체구조물(30)을 연결할 수 있으며, 무게추(48)가 복수개 구비된 경우는 무게추(48) 사이를 연결한다.

도 6a 내지 도 6c는 무게추(48)가 4개 구비된 경우를 예로 들어 나타낸 것으로서, 수위에 따른 무게추(48)의 높이 변화를 나타낸 것이다. 도 6a와 같이 수위가 상대적으로 낮은 경우는 무게추(48)는 자중에 의하여 본체구조물(30)의 저면에 위치되며, 수문(41)은 가장 낮은 높이에 위치된다. 이때, 수문(41) 상단부와 수위 사이의 높이는 최소 높이 H1을 유지하며, 수위는 L0를 유지한다.

도 6b와 같이 수위가 L0에서 L1으로 상승하는 경우는 부력에 의하여 부력통(45)이 상승하면서, 수문(41)을 승강시킨다. 이때 부력통(45)과 체인(49)에 의하여 연결된 무게추(48)의 일부가 상승하면서 부력통(45)에 걸리는 무게를 증가시킨다. 따라서 부력이 증가되면서 무게추(48)가 구비되지 않은 경우에 비하여 부력통(45)의 상승 높이가 낮아지게 된다. 이에 따라 수문(41)의 상승 높이가 제한되어, 수문(41) 상단부와 수위 사이의 높이가 H1 보다 높은 H2를 유지하면서, 수차(10)에 단위 시간당 공급하는 물의 공급량을 증가시킬 수 있다.

더 나아가, 도 6c와 같이 수위가 L0에서 L2로 더욱 상승하는 경우는 부력에 의하여 부력통(45)이 추가적으로 상승하면서, 수문(41)을 더욱 상승시킨다. 이때 부력통(45)과 체인(49)에 의하여 연결된 무게추(48)가 상승하면서 부력통(45)에 걸리는 무게를 더욱 증가시킨다. 따라서 부력이 추가적으로 증가되면서 무게추(48)가 구비되지 않은 경우에 비하여 부력통(45)의 상승 높이를 제안하게 된다. 이에 다라 수문(41)의 상승 높이가 제한되어, 수문(41) 상단부와 수위 사이의 높이가 H2 보다 높은 H3를 유지하면서, 수차(10)에 단위 시간당 공급하는 물의 공급량을 더욱 증가시킬 수 있다.

본 실시예에 있어서, 무게추(48)가 4개 구비된 경우를 예로 들어 나타내었으나, 물의 공급량 조절 단계를 몇 단계로 할 것인지 내지는 수위의 변화 폭 등을 고려하여 다양하게 변경할 수 있다.

또한, 본 발명은 수문(41)의 상단 양측에 마련되어 물(W)의 유입을 가이드하는 낙수유도판(43)을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 수문(41)을 사이에 두고, 수문설치부(31)와 대향되게 설치되어 수문(41)을 지지하는 수문지지부(51)를 포함한다.

수차(10)는 본체구조물(30)의 일면 즉, 수차(10)의 형상에 대응되는 형상으로 형성된 회전 가능하게 설치된다. 이 수차(10)는 낙하는 유수에 의하여 일 회전방향(도 1에서는 반시계방향)으로 회전함으로써, 발전기(100)가 전기를 생산하도록 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치의 제1실시예에 따른 수차를 보인 사시도이다.

도 1 내지 도 3 및 도 7을 참조하면, 수차(10)는 수차본체(11), 설치판(15), 구획판(16) 및 제1 내지 제3수차날개(17)(18)(19)를 포함한다.

수차본체(11)는 원통형상이 구조물로서, 회전축(11a)을 회전 중심으로 일 방 향으로 회전 가능하게 수차설치부(33)에 설치된다. 설치판(15)은 수차본체(11)의 양단 각각에 소정 높이 돌출 형성되는 것으로, 수차(10)로 낙수된 물이 수차본체(11)의 축방향으로 벗어나는 것을 방지함과 아울러, 제1 및 제2수차날개(17)(18)를 지지한다.

구획판(16)은 도 7에 도시된 바와 같이, 수차본체(11)를 회전축(11a) 방향으로 제1 내지 제3영역(A)(B)(C)으로 나눌 수 있도록, 수차본체(11)의 외주에 설치된다. 이 구획판(16)은 제1 내지 제3수차날개(17)(18)(19)의 설치를 가이드한다.

제1수차날개(17)는 복수의 날개로 구성되며, 수차본체(11)의 제1 및 제3영역(A)(C) 외주에 회전축(11a) 방향으로 설치된다. 이 제1수차날개(17)를 구성하는 복수의 날개는 수차본체(11)의 외주에 동일 간격으로 설치될 수 있으며, 그 양 측단은 설치판(15)과 구획판(16)에 의해 지지된다. 여기서, 제1수차날개(17)는 도 3에 도시된 바와 같이, 그 판면이 수차본체(11)의 반경방향에 대하여 하방 경사지게 형성되어, 낙하하는 유수가 제1수차날개(17)에 부딪힌 후, 낙하속도 크게 저하되지 않은 상태로 하류에 위치된 제2수차날개(18) 방향으로 향하도록 할 수 있다.

제2수차날개(18)는 복수의 날개로 구성되며, 수체본체(11)의 제1 및 제3영역(A)(C)에 회전축(11a) 방향으로 설치된다. 이 제2수차날개(18)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1수차날개(17)의 수차본체(11) 반경방향 외측에 위치된다. 이를 위하여, 제2수차날개(18)는 설치판(15)과 구획판(16)에 회전축(11a) 방향으로 설치된다. 이 제2수차날개(18)는 제1수차날개(17)와 마찬가지로 그 판면이 수차본체(11)의 반경방향에 대하여 하방 경사지게 형성되어, 낙하하는 유수가 제2수차날개(18) 에 부딪힌 후, 낙하속도 크게 저하되지 않은 상태로 하류에 위치된 제1수차날개(17) 방향으로 향하도록 할 수 있다.

여기서, 제1 및 제2수차날개(17)(18)의 판면과 수차본체(11)의 반경방향 사이의 경사각도 θ1은 30도 각도 보다 크고, 직각 보다 작은 각도를 이루는 것이 바람직하다. 여기서, θ1의 하한값을 벗어나는 경우, 낙하하는 유수가 제1 및 제2수차날개(17)(18)에 가하는 힘이 약해지게 되므로, 하한값 이상으로 설치한다.

또한, 상기 제1 및 제2수차날개(17)(18)는 동일 개수로 이루어지며, 제2수차날개(18) 각각은 복수의 제1수차날개(17)와 교대로 설치된다. 제1 및 제3영역(A)(C)으로 낙하하는 유수가 복수의 제1 및 제2수차날개(17)(18) 가운데 수차본체(11)의 회전방향 상류에서 하류로 순차로 배치된 제1 및 제2수차날개에 교대로 부딪히면서 낙하하도록 할 수 있다. 따라서 낙하하는 유수와 제1 및 제2수차 날개 사이의 접촉면적을 넓힘과 아울러, 물의 낙하속도 저하를 최소화함으로써, 수차(10)의 회전력을 높일 수 있다.

제3수차날개(19)는 수차본체(11)의 제2영역(B) 외주에 회전축(11a) 방향으로 설치되며, 복수의 날개로 구성된다. 이 제3수차날개(19)를 구성하는 복수의 날개는 수차본체(11)의 외주에 동일 간격으로 설치될 수 있으며, 그 양 측단은 구획판(16)에 의해 지지된다. 이 제3수차날개(19)는 도 2에 도시된 바와 같이, 그 판면이 수차본체(11)의 반경방향을 형성된다.

이와 같이, 제2영역(B)에 동일한 배치구조를 가지는 제3수차날개(19)를 구비한 경우는 하나의 제3수차날개(19)에 부딪힌 물은 제3수차날개(19)와 구획판(16) 에 의하여 형성되는 버킷공간에 담기면서 수차를 회전시킨다. 이때, 수차(10)에서 이탈하여 가압수모음부(32)에 모아진 가압수는 채널(32b)을 통하여 하방으로 낙하한다. 이 낙하하는 가압수는 가압수유도판(37)을 통하여 가이드(35)에 형성된 가압수유입부(35a)로 안내되고, 가압수유입부(35a)를 통과한 가압수는 제3수차날개(19)를 가압한다. 이에 따라 수차(10)의 회전력을 향상시킬 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1 및 제2수차날개(17)(18)가 제1 및 제3영역(A)(C)에 배치되고, 제3수차날개(19)가 제2영역(B)에 배치된 것을 예로 들어 나타내었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 가능하다. 예컨대, 제1 및 제2수차날개(17)(18)가 제2영역(B)에 배치되고, 제3수차날개(19)가 제1 및 제3영역(A)(C)에 배치되는 구성도 가능하다.

또한, 필요에 따라 제1 및 제2수차날개(17)(18)의 폭을 도 7에 도시된 구조에 비하여 넓게 형성하는 경우, 제1 및 제2수차날개(17)(18)의 지지 구조를 보강하기 위한 보강 플레이트, 보강 브라켓 등의 별도의 보강 구조를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 소수력발전장치에 적용되는 수차는 도 7에 도시된 구성으로 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 가능하다.

또한, 소수력 발전장치에 대하여 수차를 설치함에 있어서, 도 1의 경우는 수차가 반시계 방향으로 회전하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불가한 것으로 수차를 시계 방향으로 회전할 수 있도록 배치하는 구성도 가능하다. 이 경우, 도 1의 낙수유도부(39)는 본체구조물(30)에서 배제된다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치를 보인 부분단면 사시도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도.

도 4는 도 1의 소수력 발전장치의 수차가 제거된 상태에서의 본체구조물의 요부를 보인 개략적인 사시도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치의 요부를 보인 평면도.

도 6a 내지 도 6c 각각은 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치의 수문승강부의 배치 및 동작을 설명하기 위한 개략적인 측면도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소수력 발전장치의 수차를 보인 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 수차 11: 수차본체

30: 본체구조물 31: 수문설치부

33: 수차설치부 35: 가이드

37: 가압수유도판 39: 낙수유도부

40: 수문승강부 41: 수문

43: 낙수유도판 45: 부력통

47: 물공급량 조절부 48: 무게추

49: 체인 100: 발전기

Claims

소수력 발전장치에 있어서,

본체구조물과;

상기 본체구조물에 승강 가능하게 설치되는 수문과;

상기 본체구조물에 회전 가능하게 설치되며, 상기 수문의 상부를 통하여 낙하하는 유수에 의하여 회전되는 수차와;

상기 수차의 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 발전기와;

상기 수문에 설치되어 수위에 따라 상기 수문의 승강 높이를 조절하는 것으로, 수위가 높을수록 상기 수차에 공급되는 단위 시간당 물의 공급량이 증가되도록 물공급량을 조절하는 수문승강부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
제1항에 있어서,

상기 수문승강부는,

상기 수문의 양측 상단부에 설치되어 부력에 의하여 상기 수문이 승강되도록 하는 부력통과;

상기 본체구조물과 상기 부력통 사이에 설치되어, 상기 부력통 및 상기 수문의 높이를 규제하여 물공급량을 조절하는 물공급량 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
제2항에 있어서,

상기 물공급량 조절부는,

상기 부력통의 하부에 배치되며, 수위에 따라 상기 부력통에 걸리는 하중을 증가시키는 적어도 하나의 무게추와;

상기 부력통과 상기 무게추 및 상기 무게추와 상기 본체구조물을 연결하는 체인을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수문의 상단 양측에 마련되어 물의 유입을 가이드하는 낙수유도판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전장치.