KR20110102053A

KR20110102053A - 소수력 발전시스템

Info

Publication number: KR20110102053A
Application number: KR1020100021494A
Authority: KR
Inventors: 백경현
Original assignee: (주)엔아이티원
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-16
Also published as: KR101278534B1

Abstract

본 발명은, 저수지의 담수부분의 하부레벨에 유입측이 위치하고 저수지의 외부로 연결되도록 배치되는 유입측 배관부(11)와, 저수지 외부에서 이 유입측 배관부(11)로부터 저수지의 최상부 레벨까지 경사지게 연장, 형성되는 경사배관부(12)로 이루어진 유체공급관(1); 상기 경사배관부(12)으로부터 소정 상하간격으로 분기되는 복수의 토출배관(2); 및 상기 토출배관(2)으로부터 배출되는 유체에 의해 회전되는 터빈(3)을 포함하는 소수력 발전시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 장소적 제한이 없이도 낮은 설비 비용 및 유지/보수 비용으로 높은 전기량을 안정적으로 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, 환경 파괴의 우려가 없는 수력 발전시스템을 제공할 수 있다.

Description

소수력 발전시스템{SMALL WATER POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 소수력 발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 설치가 간단하고 비용이 저렴한 소수력 발전장치에 농업용 저수지 등에 담수되어 있는 유체를 이용함으로써 환경보존에 기여할 수 있는 그린에너지 발전시스템에 관한 것이다.

국토보존, 환경파괴 및 자원고갈 등의 이유로, 태양광, 풍력 및 수력 등을 에너지원으로 하는 그린 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중 수력을 이용하여 전기를 발전시키기 위하여는 댐을 건설하여야 하는데, 이는 넓은 토지를 잠식하고 환경의 파괴를 야기할 뿐만 아니라, 적지 않은 공사비가 소요되는 문제점이 있다.

또한, 태양광을 이용하는 발전의 경우, 하루 동안 발전가용시간의 평균인 3.5시간을 고려하면 1년에 약 1,277시간의 발전이 가능하며, 풍력을 이용하는 발전의 경우, 하루 동안 발전가용시간의 평균인 4시간을 고려하면 1년에 약 1,460시간의 발전이 가능하여, 발전가용시간이 짧아 발전장치의 효율이 높지 않다는 단점이 있다.

그러나, 농업용 저수지와 같은 저수댐에서는 4월부터 10월까지 하루 24시간 동안 약 200일간 발전용수공급이 가능하여, 1년에 평균적으로 약 4,000시간 이상의 발전가용시간을 확보할 수 있으며, 특히 장마철인 7, 8월을 포함한 10월까지는 만수위의 방유가 가능하므로, 이와 같은 저수댐을 효율적으로 이용할 수 있는 소수력 발전시스템의 개발이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 장소적 제한이 없이도 낮은 설비 비용 및 유지/보수 비용으로 높은 전기량을 안정적으로 발생시킬 수 있는 전기 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 환경 파괴의 우려가 없는 수력 발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 저수지의 담수부분의 하부레벨에 유입측이 위치하고 저수지의 외부로 연결되도록 배치되는 유입측 배관부(11)와, 저수지 외부에서 이 유입측 배관부(11)로부터 저수지의 최상부 레벨까지 경사지게 연장, 형성되는 경사배관부(12)로 이루어진 유체공급관(1); 상기 경사배관부(12)으로부터 소정 상하간격으로 분기되는 복수의 토출배관(2); 및 상기 토출배관(2)으로부터 배출되는 유체에 의해 회전되는 터빈(3)을 포함하는 소수력 발전시스템을 제공한다.

또한, 상기 유체공급관(1)은 경사배관부(12)의 상단과 이어져 수직 하단으로 연장되는 수직하강부(13)를 더 포함하며, 상기 토출배관(2)은 상기 수직하강부(13)와 연결되어, 상기 경사배관부(12)로부터 상기 수직하강부(13)로 유입된 유체 또는 상기 토출배관(2)으로부터 토출된 유체에 의해 터빈(3)이 회전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 토출배관(2)의 경사배관부(12)으로부터 분기되는 분기점측 일단에 스톱밸브(21)가 형성되어 있으며, 토출배관(2)의 토출구측 타단에 체크밸브(22)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소수력 발전시스템은 저수지의 수위에 따라 상기 스톱밸브(21)를 자동제어하는 수위조절센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 터빈(3)은, 회전축(31); 상기 회전축(31)을 기준으로 등간격으로 회전축(31)의 옆면에 장착되는 복수개의 날개(32); 및 상기 날개(32)들의 양 측면에 장착되어, 유입되는 유체가 담기는 담수 공간을 형성하는 링 형상의 담수 고정틀(33)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 터빈(3)은, 상기 날개(32)들의 상부에 위치하고 상기 날개(32)들의 폭보다 큰 폭을 가져, 상기 터빈(3)에서 유출되는 유체를 막는 담수커버(34); 및 상기 담수커버(34) 내에 밀착되게 연결되어 상기 날개(32)들에 부딪쳐 반사되어 유출되는 유체를 상기 담수 공간으로 유도하는 유체 유도관을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 터빈(3)은 복수개의 터빈(3)이 수직으로 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 장소적 제한이 없이도 낮은 설비 비용 및 유지/보수 비용으로 높은 전기량을 안정적으로 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, 환경 파괴의 우려가 없는 수력 발전시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소수력 발전시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 소수력 발전시스템의 구체적인 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 스톱밸브(21) 및 체크밸브(22)가 형성된 토출배관(2)을 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 발전시스템의 메카니즘을 설명하기 위한 도식도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터빈(3)의 일부를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 터빈(3)의 담수 고정틀(33) 및 담수커버(34)를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 터빈(3)의 전기에너지를 생성하는 발전부(4)의 일실시예로 사용되는 증속기를 나타낸 도면.

본 발명은, 저수지의 담수부분의 하부레벨에 유입측이 위치하고 저수지의 외부로 연결되도록 배치되는 유입측 배관부(11)와, 저수지 외부에서 이 유입측 배관부(11)로부터 저수지의 최상부 레벨까지 경사지게 연장, 형성되는 경사배관부(12)로 이루어진 유체공급관(1); 상기 경사배관부(12)으로부터 소정 상하간격으로 분기되는 복수의 토출배관(2); 및 상기 토출배관(2)으로부터 배출되는 유체에 의해 회전되는 터빈(3)을 포함하는 소수력 발전시스템에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 소수력 발전시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 발전시스템은 유입측 배관부(11)와 경사배관부(12)가 연결된 유체공급관(1), 상기 유체공급관(1)으로부터 분기된 토출배관(2) 및 상기 토출배관(2)으로부터 토출된 유체에 의해 회전되는 터빈(3)으로 구성되어 있다.

좀 더 상세히 설명하면 본 발명은 농업용 저수지와 같은 소규모의 저수댐에 설치되는 수력발전시스템에 관한 것으로, 상기 유입측 배관부(11)에 의하여, 저수댐의 안쪽, 즉 저수지의 담수된 부분(I)으로부터 저수지의 바깥쪽으로 유체(물)을 이송시키며, 이를 위하여 저수지의 담수부분의 하부의 레벨에 그 유입측이 위치하도록 배치되고, 상기 유입측 배관부(11)는 상기 저수댐(0)을 통과하여 외부에 저수지의 물을 배출할 수 있도록 하며, 물의 배출이 용이하도록 하기 위하여 유입측보다 저수댐(0)을 통과하는 부분이 낮게 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.

상기 유입측 배관부(11)는 저수지의 외부에서 경사배관부(12)로 연장되어 형성하는데, 상기 경사배관부(12)는 저수지의 최상부 높이까지 연장되며, 경사지게 연장되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 유입측 배관부(11)와 경사배관부(12)로 이루어진 유체공급관(1)에 의하여 저수지에 저수된 물이 외부로 이송되며, 저수지의 수위에 따라 경사배관부(12)에 차오르는 물의 수위가 결정된다. 즉, 저수지의 물의 압력에 의하여 저수지 수위와 동일한 높이로 경사배관부(12)에 물이 채워진다. 경사배관부(12)는 저수지의 최상부 레벨까지 연장되어 있으므로, 저수지의 물이 만수위까지 차오르면 경사배관부(12)의 최상부까지 물이 차게 되고, 저수지의 물이 만수위보다 밑에 저장되어 있으면 경사배관부(12)의 각각 동일한 높이까지 물이 차게 된다. 이와 같이, 경사배관부(12)의 중간부위까지 물이 차 있을 때, 물을 토출시키기 위한 구성으로 하기의 토출배관(2)이 형성되어 있다.

상기 토출배관(2)은 상기 경사배관부(12)의 중간에 소정의 상하 간격으로 분기되어 있는 것으로, 바람직하게는 2개 이상 설치되는 것이 좋다. 상기 경사배관부(12)에 차 오른 물은 상기 토출배관(2)을 통하여 외부로 토출되게 되며, 경사배관부(12)에 차 오른 물의 높이에 따라 토출되는 높이가 달라지므로 소정의 간격을 두고 여러개가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유체공급관(1)은 바람직하게 상기 경사배관부(12)의 최상부에서 연결되며 수직하단방향으로 연장되어 말단이 개방되어 있는 수직하강부(13)를 포함하고 있다. 저수지가 만수위일 때, 상기 경사배관부(12)의 최상단까지 차오른 물은 상기 수직하강부(13)를 통하여 수직 하단방향으로 배출된다.

상기 경사배관부(12) 및 토출배관(2)을 통하여 배출된 물은 낙하하여 하부에 위치한 터빈(3)을 회전시키게 된다. 상기 터빈(3)은 터빈(3)에 연동되어 있는 발전부(미도시)에 의하여 상기 낙하하는 물의 에너지를 전기에너지로 변환하도록 한다.

상기 터빈(3)은 지면과 가까운 낮은 위치에 하나가 설치될 수도 있고, 수직으로 위치한 복수개의 터빈(3)이 설치될 수도 있다. 상기 터빈(3)의 상부에는 경사배관부(12) 또는 수직하강부(13)의 배출구측이 위치하여 이로부터 배출된 물이 터빈(3)을 회전시키도록 하며, 터빈(3)이 복수개 설치되어 있는 경우, 상기 복수개의 토출배관(2) 중 일부는 복수개가 수직 배열된 터빈(3)의 사이에 위치하여 최상부의 터빈(3)이 아닌 중간부분의 터빈(3)부터 회전시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 소수력 발전시스템의 구체적인 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 소수력 발전시스템은 상기의 유입측 배관부(11), 경사배관부(12) 및 수직하강부(13)로 이루어진 유체공급관(1); 토출배관(2); 및 터빈(3)의 구성에 더하여, 수위에 따라 발전시스템의 작동을 조절하는 밸브를 포함하고 있다.

이러한 밸브로 상기 경사배관으로부터 토출배관(2)이 분기되는 분기점 부분의 토출배관(2)측에 스톱밸브(21)가 형성되어 있으며, 그 반대편측 타단, 즉 토출배관(2)의 토출구측에 체크밸브(22)가 형성되어 있다.

도 3은 상기 스톱밸브(21) 및 체크밸브(22)가 형성된 토출배관(2)을 나타낸 사시도이다.

상기 스톱밸브(21)는 저수지의 수위에 따라 조절되는 밸브로서, 상기 경사배관부(12)로부터 상기 토출배관(2)으로 유입되는 물의 흐름을 조절한다. 터빈(3)을 회전시키는 힘은 높이가 높을수록 커지기 때문에, 상기 스톱밸브(21)는 경사배관부(12)에 차 있는 물의 수위보다 낮은 위치에 있는 토출배관(2)으로 물이 토출되지 않도록 조절하는 역할을 한다. 따라서, 낮은 위치의 토출배관(2)으로는 물이 토출되지 않고 보다 높은 위치에 있는 토출배관(2)으로 물을 토출시켜서 물이 가지고 있는 위치에너지를 최대한으로 사용할 수 있도록 한다.

또한, 상기 유입측 배관부(11)의 저수지 내부 유입구 말단에 스톱밸브(23)를 설치하여 저수지 물의 유입을 조절할 수 있으며, 상기 유입측 배관부(11)와 경사배관부(12)의 연결부분에 외부로 물을 유출할 수 있도록 또 다른 스톱밸브(24)를 구비한 관을 설치할 수 있다.

이러한 스톱밸브(21, 23, 24)는 수동식으로 작동할 수 있고, 또한 수위조절센서를 사용하여 자동적으로 작동할 수 있다. 상기 수위조절센서(미도시)는 저수지의 수위 또는 경사배관부(12)의 수위를 체크하여 자동으로 스톱밸브(21)를 제어하는 방식을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 체크밸브(22)는 토출배관(2)의 토출구측에 형성되어, 상기 경사배관부(12), 수직하강부(13) 또는 상부에 위치한 토출배관(2)에서 배출된 물이 낙하하면서 그 압력에 의하여 토출배관(2)측으로 역류하는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 4는 본 발명의 발전시스템의 메카니즘을 설명하기 위한 도식도이다.

도 4의 (a)는 저수댐에 저수된 물이 만수위에 도달했을 때의 본 발명의 발전시스템의 작동 모습이다. 물이 만수위에 도달하였을 경우에는 경사배관부(12)의 최상부까지 물이 가득 차게 된다. 이때 수위조절센서에 의하여 토출배관(2)에 위치한 스톱밸브(21)들은 모두 차단이 되어 토출배관(2)으로 물이 흐르지 못하게 되며, 경사배관부(12)의 최상부에서 연결된 수직하강부(13)로 물이 흘러 h1의 높이의 위치에너지(mgh1)를 가진 물에 의하여 터빈(3)을 작동하게 되어, 가장 많은 전기에너지를 발생하게 된다.

도 4의 (b)의 경우 저수댐에 저수된 물이 만수위까지 도달하지 못했을 때의 모습이다. 이때 물의 수위는 A 토출배관(2)과 B 토출배관(2)의 높이 사이에 위치하며, 수위조절센서에 의하여 B 토출배관(2) 보다 낮은 위치에 존재하는 C 토출배관(2)에 위치한 스톱밸브(21)는 차단이 되며, A 토출배관(2), B 토출배관(2) 및 이보다 높은 위치에 존재하는 스톱밸브(21)는 모두 개방이 된다. 따라서, 결과적으로 B 토출배관(2)으로 물이 흐르게 되어 h2의 높이의 위치에너지(mgh2)를 가진 물에 의하여 터빈(3)이 작동되며, 물이 가진 위치에너지를 최대한 활용한 전기에너지를 발생하도록 한다.

이와 같이 물의 수위에 따라 수위보다 낮은 위치에 있는 스톱밸브(21)는 그 중 최상위의 것을 제외하고 모두 차단함으로써, 물이 가진 위치에너지를 최대한 이용하여 전기에너지를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 수력 발전 시스템이 일정 높이 이하의 수위인 경우 방류 자체가 불가능하여 발전 시스템을 가동시킬 수 없었음에 비하여, 본 발명의 발전시스템의 경우, 수위에 따라 발전시스템을 조절하여 다양한 수위에서 모두 발전이 가능하도록 하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터빈(3)의 일부를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 터빈(3)은 유입되는 유체(물)에 의하여 회전한다.

터빈(3)은 회전축(31)을 기준으로 등간격으로 회전축(31)의 옆면에 장착되는 날개(32)들을 구비한다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 날개(32)는 단면이 반원형인 구부러진 형상으로 되어 효과적으로 물을 담을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 터빈(3)의 담수 고정틀(33) 및 담수커버(34)를 나타낸 도면이다.

터빈(3)은 날개(32)들의 양 측면에 하나씩 위치하는 담수 고정틀(33)을 더 구비한다. 즉, 터빈(3)을 정면에서 바라본 도 6은 비록 하나의 담수 고정틀(33)만을 도시하고 있으나, 도시되지 아니하는 뒷면에도 하나의 담수 고정틀(33)이 더 구비된다.

상기 담수 고정틀(33)은 날개(32)의 양 측면을 충분히 커버할 수 있는 직경으로 이루어져, 터빈(3)으로 유입된 물이 담수 고정틀(33)에 의하여 날개(32)의 양 측면으로 유출되지 않도록 하여 회전력을 크게 하는 역할을 한다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 터빈(3)은 상기와 같은 구부러진 오목한 형상의 날개(32), 및 날개(32)의 양 측면에 위치하는 담수 고정틀(33)에 의한 담수 공간을 구비함으로써 유입되는 유체에 대한 담수 능력을 향상시킬 수 있다. 터빈(3)의 담수 능력이 향상되면 회전 하중의 증가에 따른 터빈(3)의 회전력이 증가되므로, 전기 생산량을 증가시킬 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터빈(3)은 담수커버(34)를 더 구비할 수 있다. 담수커버(34)는 터빈(3)의 외부를 덮어 터빈(3)에서 유출되는 유체를 막을 수 있는 형상으로 이루어져 있으며, 터빈(3)의 상단의 물이 유입되는 유입구측과 하단의 물이 배출되는 배출구측에 물의 흐름을 가이드하는 보조판(36)을 구비하는 것이 바람직하다. 담수커버(34)는 담수커버 지지대(35)에 의해 고정될 수 있다.

이때, 담수커버(34)는 상기 날개(32)의 폭 이상의 폭을 구비하고, 상기 담수 고정틀(33)의 측면과 접하도록 하는 것이 물의 유출을 방지하는데 더 효율적일 수 있다.

바람직하게는, 터빈(3)은, 담수커버(34)와 연결되고 날개(32)에 부딪쳐 반사되어 유출되는 유체를 막아 터빈(3)으로 유입되는 유체의 중량을 최대화할 수 있는 유체 유도판(37)을 더 구비할 수 있다.

도 7은 도 6의 터빈(3)의 전기에너지를 생성하는 발전부(4)의 일실시예로 사용되는 증속기를 나타낸 도면이다.

상기 증속기는 상기 터빈(3)의 회전축(31)의 회전에 연동하여 함께 회전하는 제1기어(41), 상기 제1기어(41)에 연동하여 함께 회전하는 제2기어(42) 및 상기 제2기어(42)에 연동하여 함께 회전하는 제3기어(43)를 포함하며, 제2기어(42)는 반지름이 다른 두 개의 기어가 동일한 중심축을 중심으로 함께 회전하여, 작은 반지름 기어(421)는 상기 제1기어(41)에 연동하여 회전하며, 큰 반지름 기어(422)는 상기 제3기어(43)에 연동하여 회전하면서 그 회전력을 증폭하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3기어(43)에 접속하여 전기에너지를 발생시키는 발전기(44)를 구비한다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해진다.

1 : 유체공급관 2 : 토출배관
3 : 터빈 4 : 발전부
11 : 유입측 배관부 12 : 경사배관부
13 : 수직하강부 21, 23 : 스톱밸브
22 : 체크밸브 31 : 회전축
32 : 날개 33 : 담수 고정틀
34 : 담수커버

Claims

저수지의 담수부분의 하부레벨에 유입측이 위치하고 저수지의 외부로 연결되도록 배치되는 유입측 배관부(11)와, 저수지 외부에서 이 유입측 배관부(11)로부터 저수지의 최상부 레벨까지 경사지게 연장, 형성되는 경사배관부(12)로 이루어진 유체공급관(1);
상기 경사배관부(12)으로부터 소정 상하간격으로 분기되는 복수의 토출배관(2);및
상기 토출배관(2)으로부터 배출되는 유체에 의해 회전되는 터빈(3)
을 포함하는 소수력 발전시스템.
제 1항에 있어서,
상기 유체공급관(1)은 경사배관부(12)의 상단과 이어져 수직 하단으로 연장되는 수직하강부(13)를 더 포함하며, 상기 토출배관(2)은 상기 수직하강부(13)와 연결되어,
상기 경사배관부(12)로부터 상기 수직하강부(13)로 유입된 유체 또는 상기 토출배관(2)으로부터 토출된 유체에 의해 터빈(3)이 회전하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전시스템.
제 1항에 있어서,
상기 토출배관(2)의 경사배관부(12)으로부터 분기되는 분기점측 일단에 스톱밸브(21)가 형성되어 있으며, 토출배관(2)의 토출구측 타단에 체크밸브(22)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 소수력 발전시스템.
제 3항에 있어서,
상기 소수력 발전시스템은 저수지의 수위에 따라 상기 스톱밸브(21)를 자동제어하는 수위조절센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전시스템.
제 1항에 있어서,
상기 터빈(3)은,
회전축(31);
상기 회전축(31)을 기준으로 등간격으로 회전축(31)의 옆면에 장착되는 복수개의 날개(32);및
상기 날개(32)들의 양 측면에 장착되어, 유입되는 유체가 담기는 담수 공간을 형성하는 링 형상의 담수 고정틀(33)
을 포함하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전시스템.
제 5항에 있어서,
상기 터빈(3)은,
상기 날개(32)들의 상부에 위치하고 상기 날개(32)들의 폭보다 큰 폭을 가져, 상기 터빈(3)에서 유출되는 유체를 막는 담수커버(34);및
상기 담수커버(34) 내에 밀착되게 연결되어 상기 날개(32)들에 부딪쳐 반사되어 유출되는 유체를 상기 담수 공간으로 유도하는 유체 유도관
을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소수력 발전시스템.
제 5항에 있어서,
상기 터빈(3)은 복수개의 터빈(3)이 수직으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 소수력 발전시스템.