KR20120042821A - 공장형 물순환식 수력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력수요처와 근거리에 공장식으로 설치되어 송전탑과 같은 별도의 부대설비를 요구하지 않는 공장형 수력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 순환하는 물을 유압실린더를 이용하여 수차로 고압분사하여 고출력의 전기를 생산할 수 있도록 한 공장형 물순환식 수력발전장치에 관한 것이다.
본 발명은 수조; 상기 수조의 하부에 설치된 복수의 탱크; 상기 각 탱크의 하부에 설치되며 상기 탱크의 내부에 긴밀하게 밀착되어 승강하는 피스톤을 구비한 유압실린더; 상기 유압실린더의 동작에 따라 탱크 내부로 수조의 물이 흡입되거나 탱크 내부로 흡입된 물이 탱크 외부로 토출되도록 수조와 탱크를 연통시키는 흡입구와 토출구; 흡입동작과 토출동작이 교대로 수행되도록 상기 흡입구와 토출구 내에 설치된 방향전환밸브; 상기 흡입구를 통해 탱크 내부로 물이 흡입되어 피스톤이 하강한 유압실린더에 상승 스트로크를 발생시키는 유압모터; 각 탱크들의 토출구와 일대일로 연결되며 갈수록 좁아지는 단부를 갖는 복수의 가압토출관; 일측에는 상기 가압토출관들과 일대일로 연결되는 연결공들이 형성되고 타측에는 상기 연결공들과 연통되는 단일의 집수공이 형성되어 각 가압토출관들을 통해 유입되는 토출수들을 고압으로 집수시키는 고압집수관; 상기 고압집수관을 통해 고압분사되는 토출수에 의해 회전하는 수차; 상기 수차를 통해 구동되는 발전기; 상기 고압집수관을 통해 분사된 토출수를 집수하여 수조로 배출시키는 순환유로를 포함하여 구성된다.

Description

공장형 물순환식 수력발전장치{Power generating system using water circulation}

본 발명은 전력수요처와 근거리에 공장식으로 설치되어 송전탑과 같은 별도의 부대설비를 요구하지 않는 공장형 수력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 순환하는 물을 유압실린더를 이용하여 수차로 고압분사하여 고출력의 전기를 생산할 수 있도록 한 공장형 물순환식 수력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기에너지의 생산방식은 크게 물의 낙차를 이용한 수력발전과, 바람을 이용한 풍력발전, 화석연료를 이용한 화력발전 및 원자핵 분열에 의하여 발생한 열에너지 원자력발전방식이 있다.

이와 같은 방식을 따르는 발전설비는 대규모 설비일 뿐만 아니라 수요처인 공장이나 각 가정 등으로 공급하기 위해서는 별도의 송전시설을 갖추어야 하므로 엄청난 비용이 발생된다.

상기한 발전 방식 중, 원자력발전은 폐기물처리에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 방사선 누출사고시 치명적인 폐해를 가져와 발전소설립 자체에 어려움을 겪고 있는 실정이다.

또한, 수력발전과 풍력발전은 환경친화적인 발전방식이긴 하나 수력발전의 경우에는 하천을 막아 거대한 댐을 건설하여야 하고 강수량이 일정량 이상이 되어야만 안정적으로 전력을 생산할 수 있고 풍력발전은 바람이 일정세기로 지속적으로 불어주어야 안정적으로 전력을 생산할 수 있다는 기후조건에 있어서 제약이 뒤따르므로 대중적으로 산업화하는데 큰 한계를 가지고 있는 것이 사실이다.

위와 같은 발전설비들은 모두 전력수요처와 원거리에 설치되어 있어서 송전탑과 같은 고비용의 부대시설을 수반해야 하므로 매우 비경제적이다. 최근에는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 전력수요처 인근에 고출력의 펌프를 이용하여 수조에서 물을 끌어들여 수차로 토출시킴으로써 수차에 연결된 발전기를 돌려 전기를 생산하는 수력발전 방식이 알려져 있기는 하나, 펌프를 이용하여 수조의 물을 수차에 공급하는 방식을 따르고 있기 때문에 여전히 비경제적이다. 특히 수조가 수차보다 저지대에 있는 경우 더욱 그러하다.

본 발명은 종래의 비경제적인 발전방식을 탈피하여 전력수요처의 인근에 공장식으로 설치하여 저비용 고효율로 자체적으로 전력을 생산할 수 있도록 한 공장형 물순환식 수력발전장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 공장형 물순환식 수력발전장치은 수조; 상기 수조의 하부에 설치된 복수의 탱크; 상기 각 탱크의 하부에 설치되며 상기 탱크의 내부에 긴밀하게 밀착되어 승강하는 피스톤을 구비한 유압실린더; 상기 유압실린더의 동작에 따라 탱크 내부로 수조의 물이 흡입되거나 탱크 내부로 흡입된 물이 탱크 외부로 토출되도록 수조와 탱크를 연통시키는 흡입구와 토출구; 흡입동작과 토출동작이 교대로 수행되도록 상기 흡입구와 토출구 내에 설치된 방향전환밸브; 상기 흡입구를 통해 탱크 내부로 물이 흡입되어 피스톤이 하강한 유압실린더에 상승 스트로크를 발생시키는 유압모터; 각 탱크들의 토출구와 일대일로 연결되며 갈수록 좁아지는 단부를 갖는 복수의 가압토출관; 일측에는 상기 가압토출관들과 일대일로 연결되는 연결공들이 형성되고 타측에는 상기 연결공들과 연통되는 단일의 집수공이 형성되어 각 가압토출관들을 통해 유입되는 토출수들을 고압으로 집수시키는 고압집수관; 상기 고압집수관을 통해 고압분사되는 토출수에 의해 회전하는 수차; 상기 수차를 통해 구동되는 발전기; 상기 고압집수관을 통해 분사된 토출수를 집수하여 수조로 배출시키는 순환유로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 수조내의 물을 유압실린더와 고압집수관을 통해 수차측으로 고압 분사하여 발전기를 구동시켜 전기를 생산하게 되므로, 전력수요처의 인근에 공장식으로 설치하여 송전탑과 같은 고비용의 부대시설 없이 저비용 고효율로 자체적으로 전력을 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공장형 물순환식 수력발전장치의 구성을 나타내기 위한 사용상태 단면도
도 2는 본 발명에 따른 공장형 물순환식 수력발전장치의 구성을 나타내기 위한 평면도
도 3은 본 발명을 구성하는 고압집수관의 사시도.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 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.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공장형 물순환식 수력발전장치는 수조(10)와, 수조(10)에 설치되어 수조(10)의 물을 외부로 토출시키는 유압실린더(50)와, 유압실린더(50)로부터 토출된 토출수들을 고압으로 집수시키는 고압집수관(90)과, 고압집수관(90)을 통해 분사되는 토출수의 토출압으로 회전하는 수차(110)와, 수차(110)를 통해 발전을 수행하는 발전기(120)로 구성된다.

상기 수조(10)는 공장 내에 설치할 수 있을 정도의 크기로 제작되며 바닥에는 유압실린더(50)들이 수직으로 설치되어 있다.

상기 수조(10)와 유압실린더(50) 사이에는 탱크(T) 내부로 수조(10)의 물이 흡입될 수 있도록 형성된 흡입구(30)와, 상기 흡입구(30)를 통해 탱크(T) 내부로 흡입된 물이 유압실린더(50)의 동작시 탱크(T) 외부로 토출되도록 형성된 토출구(40)가 구비된다. 상기 흡입구(30)와 토출구(40)의 양단부는 수조(10)의 바닥과 유압실린더(50)의 탱크(T) 상단을 관통하도록 형성된다. 본 실시예에서는 흡입구(30)가 4개로 이루어지고 토출구(40)가 단일로 이루어진 것을 예를 들어 도시하였으나, 상기 흡입구(30)와 토출구(40)의 개수는 특별히 한정되지 않는다.

상기 흡입구(30)와 토출구(40)에는 흡입동작과 토출동작이 교대로 수행될 수 있도록 방향전환밸브(31,41)가 설치된다. 흡입구(30)에 설치된 방향전환밸브(31)는 토출동작시 닫히고 토출구(40)에 설치된 방향전환밸브(41)는 흡입동작시 닫히도록 동작된다.

상기 흡입구(30)를 통해 탱크(T) 내부로 물이 흡입되면, 피스톤(51)은 흡입된 물의 자중에 의해 하강하게 되는데, 이와 같이 피스톤(51)이 하강한 상태의 유압실린더(50)에 상승 스트로크를 발생시키도록 도 1에서와 같이 각 유압실린더(50)에 유압모터(M)가 연결된다.

통상의 유압모터는 엔진이나 전동기에 의해 구동되는데, 본 발명에 사용되는 유압모터의 구동원으로서는 화석연료의 연소에 의해 작동되는 엔진이 사용된다. 즉 엔진의 구동에 의해 유압모터가 회전하여 각 유압실린더(50)에 유압이 공급되는 것이다.

본 발명에 따르면, 각 유압실린더(50)들의 토출구(40)에는 가압토출관(80)이 연결된다. 이 가압토출관(80)들은 갈수록 내경이 좁아지는 단부를 갖는다. 따라서, 토출구(40)를 빠져나온 토출수들은 가압토출관(80)을 통과하는 과정에서 압력이 높아진다. 상기 가압토출관(80)들은 고압집수관(90)과 연결된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고압집수관(90)은 일측은 상기 가압토출관(80)들과 일대일로 연결되는 연결공(91)들이 형성되어 있고, 타측은 상기 연결공(91)들과 연통되는 단일의 집수공(92)이 형성되어 있다. 따라서, 각 가압토출관(80)들을 통해 유입되는 토출수들은 이 고압집수관(90)을 통과하는 과정에서 고압으로 증압되는 동시에 한곳으로 집중된다.

상기 고압집수관(90)은 최대의 수압을 발생시킬 수 있도록 부피를 최소화하면서 많은 가압토출관(80)과 열결되도록 설계된다. 따라서, 고압집수관(90)의 일측은 연결공(91)을 일렬로 배치하고 그 간격이 허용하는 범위 내에서 최소가 되도록 제작되는 것이 바람직하다. 상기 고압집수관의 집수공(92)의 크기를 조절하면 토출수의 양과 압력을 조절할 수 있다.

상기 고압집수관(90)의 전방에는 수차(110)가 설치된다. 이 수차(110)는 별도의 케이스(111) 내부에 설치되어 상기 고압집수관(90)을 통해 고압으로 분사되는 토출수에 의해 고속으로 회전한다. 상기 수차(110)는 발전기(120)와 연결되며, 상기 발전기(120)는 수차(110)가 회전하는 것에 구동되면서 전력을 생산한다.

그리고 상기 수차(110)가 설치된 케이스(111)에는 상기 고압집수관(90)을 통해 분사된 고압의 토출수가 수차(110)를 회전시킨 다음 수조(10)로 유입될 수 있도록 순환유로(130)가 설치된다.

또한, 전력 생산량을 증대시키기 위하여, 상기 수차(110)에 복수의 고압집수관(90)들을 배치시키고, 각 고압집수관(90)의 집수공(92)들을 동시에 연결하는 분기유로를 갖는 연결관(미도시)을 설치할 수도 있다. 이렇게 하면 연결관을 통해 수차(110)로 분사되는 토출수의 압력과 속도가 더욱 증대되면서 전력량이 크게 높아진다.

미설명부호 P는 수밀을 위해 부착된 패킹이다.

따라서, 상기와 같이 구성된 발전장치를 직렬 또는 병렬로 연결하여 설치하면, 마치 공장에서 물건을 만들어 내듯이 자체적으로 그리고 지속적으로 대용량의 전기를 생산할 수 있게 된다. 이러한 발전장치는 소규모로 설치가 가능하므로 전력수요처의 인근에 설치하여 자체적으로 전력수급이 이루어지도록 할 수 있게 된다.

이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 공장형 물순환식 수력발전장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 수조(10)에 저장된 물이 흡입구(30)을 통해 탱크(T) 내부로 유입되면 피스톤(51)이 하방으로 이동된다. 이때 토출구(40)의 방향전환밸브(41)는 닫힌 상태가 된다.

탱크(T) 내부에 일정량의 물이 유입되면, 유압모터(M)가 작동하여 피스톤(51)이 상승되는데, 이 상태에서의 흡입구(30)에 설치된 방향전환밸브(31)는 닫힌 상태이고 토출구(40)에 설치된 방향전환밸브(41)는 열린 상태이다.

이어서 피스톤(51)이 탱크(T) 상단까지 완전히 상승되면 탱크(T)의 내부로 유입된 물은 토출구(40)을 통해 가압토출관(80)을 따라 외부로 모두 토출된다. 이 토출수는 가압토출관(80)의 단부가 좁아지는 형상을 갖고 있기 때문에 가압토출관(80)을 통과하면서 압력이 점진적으로 증대된다.

가압토출관(80)을 빠져나온 토출수는 고압집수관(90)으로 모이게 되는데, 상기 고압집수관(90)에는 가압토출관(80)들이 연결되어 있기 때문에 모든 유압실린더(50)를 통해 배출되는 토출수는 모두 이곳으로 모이게 된다. 고압집수관(90)으로 모인 토출수들은 고압집수관(90)을 통과하는 과정에서 다시 한번 증압되어 고압상태가 되며, 이와 같은 고압상태로 고압집수관(90)을 통해 강하고 빠르게 분사된다. 상기 수차(110)는 강하게 분사되는 토출수의 힘으로 빠르게 회전하게 되며, 수차(110)의 회전에 의해 발전기(120)가 구동되면서 전력이 생산된다.

한편, 고압집수관(90)을 통해 수차(110)로 분사된 토출수는 순환유로(130)를 따라 다시 수조(10)로 복귀된다. 따라서, 상기와 같은 일련의 동작을 반복하면서 지속적으로 전력생산이 이루어질 수 있게 된다.

이와 같이, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상술하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 변형 가능하며, 이러한 변형은 본 발명의 권리범위에 속할 것이다.

10...수조
30...흡입구 31,41...방향전환밸브
40...토출구 50...유압실린더 51...피스톤
*80...가압토출관
90...고압집수관 91...연결공
92...집수공 110...수차
120...발전기 130...순환유로
M...유압모터 P...패킹
T...탱크

Claims (2)

1. 수조;
   상기 수조의 하부에 설치된 복수의 탱크;
   상기 각 탱크의 하부에 설치되며 상기 탱크의 내부에 긴밀하게 밀착되어 승강하는 피스톤을 구비한 유압실린더;
   상기 유압실린더의 동작에 따라 탱크 내부로 수조의 물이 흡입되거나 탱크 내부로 흡입된 물이 탱크 외부로 토출되도록 수조와 탱크를 연통시키는 흡입구와 토출구;
   흡입동작과 토출동작이 교대로 수행되도록 상기 흡입구와 토출구 내에 설치된 방향전환밸브;
   상기 흡입구를 통해 탱크 내부로 물이 흡입되어 피스톤이 하강한 유압실린더에 상승 스트로크를 발생시키는 유압모터;
   각 탱크들의 토출구와 일대일로 연결되며 갈수록 좁아지는 단부를 갖는 복수의 가압토출관;
   상기 가압토출관과 연결되어 유입되는 토출수를 고압으로 집수시키는 고압집수관;
   상기 고압집수관을 통해 고압분사되는 토출수에 의해 회전하는 수차;
   상기 수차를 통해 구동되는 발전기;
   를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공장형 물순환식 수력발전장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 고압집수관을 통해 분사된 토출수를 집수하여 수조로 배출시키는 순환유로가 더 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 공장형 물순환식 수력발전장치.
   
   

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