KR20120110714A - 저수조 수력발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시수를 급수받아 저장하는 저수조의 상부에 마련되어 시수의 급수 시 전기를 발전하고 발전용 급수와는 무관하게 항시 필요한 양의 물을 보유할 수 있는 저수조 수력발전 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 시수를 공급받아 저장하는 저수조; 상기 저수조의 상부에 수차가 위치하는 발전부; 상기 수차의 날개와 대면하는 급수관과 상기 급수관에 연결되고 상기 저수조의 상부 중 상기 발전부의 타측으로 인입된 바이패스관과 상기 바이패스관을 온/오프하는 제 1 밸브를 포함하는 급수부; 및 상기 저수조의 수위를 감지하는 수위감지센서와 상기 수위감지센서의 센싱정보를 처리하는 제어장치가 구비된 수위감지부를 포함한다.
그 결과, 발전을 위한 급수시간을 최대한 지속하여 전기의 발전량을 늘리는 한편, 적은 양의 물도 특정 노즐을 통해 가압된 상태로 분출되어 발전부의 수차를 효과적으로 돌릴 수 있다. 또한, 갑작스런 물의 사용량 증가에 따라 즉각 반응하여 단위시간당 많은 양의 물이 유입되어 저수조의 수위를 적정 수준으로 맞출 수 있어 무리 없이 물을 송수할 수 있는 효과가 있다.

Description

저수조 수력발전 시스템{RECEIVING TANK WATERPRESSURE GENERATION SYSTEM}
본 발명은 저수조 수력발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시수를 급수받아 저장하는 저수조의 상부에 마련되어 시수의 급수 시 전기를 발전하고 발전용 급수와는 무관하게 항시 필요한 양의 물을 보유할 수 있는 저수조 수력발전 시스템에 관한 것이다.
저수조란 고층건물 내지 집합건물 전용의 수원으로서, 시수를 급수받아 저장하는 탱크를 일컫는다.
이러한 저수조가 설치되는 이유는 수도본관의 수압이 낮아 고층까지 원활한 급수를 못하는 경우,수도본관의 용량이 건물에 사용할 물을 직접 공급할 만큼의 송수능력이 없는 경우, 병원과 같이 단수되는 경우에도 급수가 반드시 필요한 경우, 지하수 등 상수도 이외의 물을 수원으로 할 때 물의 정수처리가 필요한 경우 등 임시로 물을 저장하여 항시 동일한 수압과 품질의 상수를 펌핑으로 공급하기 위한 것이다.
이러한 저수조는 재질에 따라 콘크리트 수조, FRP 수조, SMC 수조, 스테인리스강 수조, PE 수조, 강재 수조, 목재 수조로 나뉘고, 설치 위치에 따라 건물의 지하나 지상의 1층에 설치하는 수수조, 건물의 옥상이나 급수타워 등에 설치하는 고가수조, 고층건물의 경우 건물 중간에 설치하는 중간수조로 나뉘는데, 일반적으로 건물에 공급할 물을 최초로 받아 저수하는 저장탱크를 통칭하여 저수로라고 한다.
이러한 저수조는 수도인입관, 펌프 흡입관, 오버플로관, 통기관, 배수관, 맨홀 등이 마련되며, 아파트의 경우 저수조와 옥상의 물탱크가 연결되고 옥상의 물탱크는 각 세대의 주방, 욕실과 연결되어 저수조에 저장된 물은 펌핑으로 1차적으로 옥상의 물탱크로 송수된 후 2차적으로 중력에 의해 가압된 상태로 각 세대로 공급된다.
한편, 종래에는 이와 같은 저수조의 수도인입관 중간에 소형의 수력 발전기를 설치하여 시수의 급수시 공급되는 물의 수압을 이용해 수차를 돌려 발전하는 기술이 소개된 바 있다.
즉, 저수조의 상부로 인입된 수도인입관을 통해 저수조 내부로 유입된 물이 수도인입관의 말단으로부터 저수조 하부로 낙하할 때의 위치에너지를 수차의 운동에너지로 전환하여 수차에 연결된 발전유닛이 전기를 발전하게 된다. 보통 저수조로 인입된 수도인입관은 40mm 이상의 직경을 갖는 것으로 수차를 돌릴 수 있는 수압과 중량을 형성하기에는 충분하다.
그러나, 종래의 저수조 발전 시스템은 단순히 시수가 공급될 때만 발전유닛이 작동하여 지속적인 발전을 이룰 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 안출된 것으로, 시수의 급수시간을 최대한 지속시켜 이에 따른 전기를 지속적으로 발전할 수 있는 저수조 수력발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 시수를 공급받아 저장하는 저수조; 상기 저수조의 상부에 수차가 위치하는 발전부; 상기 수차의 날개와 대면하는 급수관과 상기 급수관에 연결되고 상기 저수조의 상부 중 상기 발전부의 타측으로 인입된 바이패스관과 상기 바이패스관을 온/오프하는 제 1 밸브를 포함하는 급수부; 및 상기 저수조의 수위를 감지하는 수위감지센서와 상기 수위감지센서의 센싱정보를 처리하는 제어장치가 구비된 수위감지부를 포함하는 저수조 수력발전 시스템을 제공한다.
또한, 상기 발전부는 상부 일측으로 상기 급수관이 인입되고 상기 저수조의 상부 일측과 하방이 관통된 케이스; 상기 케이스의 내부에 상기 급수관의 길이방향에 수직한 회전축을 갖고 복수 개로 마련된 상기 날개 각각의 일면이 회전을 통해 상기 급수관의 말단과 수직하게 대면하는 수차; 상기 회전축에 결합된 회전자와 상기 회전자와 대응되게 고정된 고정자를 갖는 발전기를 포함한다.
또한, 상기 급수관의 말단은 오리피스노즐이 더 연장된다.
또한, 상기 밸브는 상기 제어장치와 전기적으로 연결된 솔레노이드밸브이다.
본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템은 발전을 위한 급수시간을 최대한 지속하여 전기의 발전량을 늘리는 한편, 적은 양의 물도 특정 노즐을 통해 가압된 상태로 분출되어 발전부의 수차를 효과적으로 돌릴 수 있다.
또한, 한정된 저수조에 지속적으로 급수를 이루도록 단위시간당 적은 양의 물이 급수되는 것과는 별도로 갑작스런 물의 사용량 증가에 즉각 반응하여 단위시간당 많은 양의 물 유입시킬 수 있어 항시 저수조의 수위를 적정 수준으로 맞출 수 있다.
따라서, 발전부는 발전부대로 지속적인 전기 발전을 이루고 갑작스런 물의 사용량 증가에도 무리 없이 물을 송수할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템을 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템의 급수부를 나타낸 부분확대도.
도 3은 본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템의 오리피스노즐의 저면도.
도 4는 본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템의 작동 순서도.
이하, 본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 살펴본다.
본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템은 시수를 급수받아 저장하는 저수조의 상부에 마련되어 시수의 급수 시 전기를 발전하고 발전용 급수와는 무관하게 항시 필요한 양의 물을 보유할 수 있는 것으로, 바람직하게는 도 1과 같이 시수를 공급받아 저장하는 저수조(110), 저수조(110)의 상부에 수차(320)가 위치하는 발전부(300), 수차(320)의 날개(321)와 대면하는 급수관(210)과 급수관(210)에 연결되고 저수조(110)의 상부 중 발전부(300)의 타측으로 인입된 바이패스관(220)과 바이패스관(220)을 온(ON)/오프(OFF)하는 제 1 밸브(230)를 포함하는 급수부(200), 저수조(110)의 수위를 감지하는 수위감지센서(410)와 수위감지센서(410)의 센싱정보를 처리하는 제어장치(420)가 구비된 수위감지부(400)를 포함한다.
따라서, 저수조(110)에 대한 급수는 급수관(210)과 바이패스관(220) 둘로 구분되고 평소에는 급수관(210)의 말단을 통해 소량의 물이 발전용으로 지속적으로 배출되어 수차(320)는 끊임없이 회전하고 그 결과 전기가 지속적으로 발전된다.
한편, 물 사용량이 늘어나 저수조(110)의 저장량이 줄면 급수관(210)을 통해 소량으로 유입되는 물만으로는 언제든지 물 수요를 감당할 수 있는 저수조의 수위를 유지할 수 없기 때문에, 소정의 기준 수준 이하로 저수조의 수위가 낮아지면 제 1 밸브(230)는 자동으로 작동되어 바이패스관(220)을 통해 단위시간당 다량의 물을 저수조(110) 내부로 유입시켜 물의 부족한 저장량을 바로 채울 수 있어 다량의 물 사용량의 변화에 대응할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템(100)을 이용하면, 수차(320)를 돌리는 발전용 급수를 연속시켜 발전부(300)의 작동을 지속시키는 것으로 전기의 발전량을 늘릴 수 있고, 이때, 한정된 저수조에 연속적인 급수를 위해서는 단위시간당 적은 양의 물이 유입되야 하므로, 갑작스런 물 사용량 증가에 따라 낮아지는 저수조(110)의 수위를 보충하기 위해서는 즉각적으로 단위시간당 많은 양의 물을 유입시켜 저수조(110)의 수위를 적정 수준으로 항시 유지할 수 있다.
즉, 발전부(300)는 발전부(300)대로 지속적인 전기 발전을 이루고 저수조(110)는 갑작스런 물의 사용량 증가에도 무리 없이 송수할 수 있는 물의 저장량을 항시 유지할 수 있는 효과가 있다.
각각을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
저수조(110)는 시수를 공급받아 저장하는 물 저장탱크로서, 통상의 원통 내지 직육면체의 형태를 보인다.
이때, 저수조(110)의 상부는 후술하는 케이스(310)의 하단과 연결되는 일측 및 바이패스관(220)의 말단이 인입되는 타측이 각각 개구된다.
또한, 저수조(110)의 하부에는 저장된 물을 수요지로 송수하는 송수관(120)과 송수관(120)에 장치되어 송수되는 물을 가압하는 가압펌프(130)가 구비된다.
또한, 저수조(110)의 내부 일측벽으로는 세로방향으로 수위감지센서(410)가 결합되고 이에 관해서는 후술하는 수위감지부(400)의 설명에서 보다 상세하게 기술한다.
발전부(300)는 급수관(210)의 말단으로부터 배출되는 물의 위치에너지를 전달받아 수차(320)를 돌려 전기를 발생시키는 것으로, 바람직하게는 상부 일측으로 급수관(210)이 인입되고 저수조(110)의 상부 일측과 하방이 관통된 케이스(310), 케이스(310)의 내부에 급수관(210)의 길이방향에 수직한 회전축(330)을 갖고 복수 개로 마련된 날개(321) 각각의 일면이 회전을 통해 급수관(210)의 말단과 수직하게 대면하는 수차(320), 회전축(330)에 결합된 회전자(미도시)와 이에 대응되게 고정된 고정자(미도시)를 갖는 발전기(340)를 포함한다.
따라서, 케이스(310)의 내부로 인입된 급수관(210)의 말단을 통해 방출된 물은 수차(320)의 날개(321)와 부딪혀 수차(320)를 돌리고 개구된 케이스(310)의 하방과 저수조(110)의 상부 일측을 통해 저수조(110) 내부로 유입된다. 이때, 수차(320)의 회전을 통해 발전기(340)를 돌려 전기를 발전한다.
급수부(200)는 외부의 수원으로부터 이송된 물을 케이스(310)의 내부를 통해 저수조(110)에 단위시간당 소량으로 급수하거나 케이스(310)를 경유치 않고 저수조(110)에 단위시간당 다량으로 급수하는 구조를 보이는 것으로서, 바람직하게는 도 2와 같이 말단이 케이스(310) 내부로 인입되어 수차(320)의 날개(321)와 대면하는 급수관(210)과 급수관(210)의 측방으로 연결되고 저수조(110)의 상부 중 발전부(300)의 타측으로 인입된 바이패스관(220)과 바이패스관(220)을 온(ON)/오프(OFF)하는 제 1 밸브(230)를 포함한다.
또한, 급수관(210)의 말단은 바람직하게는 오리피스노즐(240)이 더 연장된다.
여기서, 오리피스노즐(Orifice Nozzle)이란 유체가 흐르는 관로 속에 설치된 조리개 기구로서, 유량의 조절?측정 등에 사용되며, 지름 D인 유관(流管)에 관의 지름 d가 D＞d 이거나 단면적이 π×D/22보다 작은 도 3과 같은 슬릿(241) 형상의 오리피스노즐을 삽입하면 유속이 변화하여 소량의 유량으로도 빠른 유속을 연출할 수 있다.
따라서, 급수관(210)의 말단에 오리피스노즐(240)을 연장하여 평소에는 단위시간당 소량의 물이 유입되는 것으로도 수차(320)를 돌릴 수 있는 충분한 유속 내지 수압을 형성할 수 있어 수차(320)는 수차대로 충분히 회전하고 저수조(110)는 한정된 용량을 갖더라도 유입되는 물이 단위시간당 소량이어서 이를 통한 물의 유입을 최대한 장시간 유지할 수 있다.
다시 말해, 수차(320)를 돌리기 위해 급수관(210)과 오리피스노즐(240)을 통해 케이스(310) 내부로 유입되고 저수조(110)로 저장되는 물은 그 유량이 적어 지속되더라도 저수조(110)의 한정된 용량을 채우기에는 오랜 시간이 소요되는 것으로 이러한 지속적인 물의 유입을 통해 수차(320)가 계속적으로 돌아 발전기(340)는 전기의 발전을 지속적으로 유지할 수 있다.
그리고, 바이패스관(220)은 수원으로부터 연장된 급수관(210) 중 케이스(310)의 외부에 위치한 측방으로부터 분지된 형태의 별도의 관으로서 단위시간당 다량의 유입량, 즉 오리피스노즐(240)을 통해 유입되는 단위시간당 유입량보다 상대적으로 많은 양의 물을 급수하는 규격을 갖는다.
그리고, 바이패스관(220)에 설치된 제 1 밸브(230)는 바람직하게는 수위감지부(400)의 제어장치(420)와 전기적으로 연결된 솔레노이드밸브이다. 이와 함께, 급수관(210)에도 제어장치(420)로 제어되는 제 2 밸브(250) 바람직하게는 솔레노이드밸브가 장치된다.
즉, 후술하는 바와 같이 수위감지센서(410)의 센싱정보에 따라 제어장치(420)의 구동신호에 의해 상기 솔레노이드밸브의 온(ON)/오프(OFF)가 자동으로 작동되어 급수관(210) 또는 바이패스관(220)을 통한 급수를 제어한다.
이러한 솔레노이드밸브의 작동에 대해서는 후술하는 제어장치(420)의 설명으로 당업자라면 이해가 자명할 것으로 이에 대한 설명을 후술하는 설명으로 대체한다.
또한, 위에서는 급수관(210)이 본류의 관이 되고 바이패스관(220)이 지류의 관이 되는 형태로 설명되었으나 이에 한정되는 것을 아니고 바이패스관(220)이 본류의 관이 되고 이에 바이패스관(220)보다 직경이 작은 급수관(210)이 바이패스관(220)으로부터 분지되어 케이스(310) 내부로 인입되게 마련되는 것도 무방하다.
수위감지부(400)는 저수조(110)에 저장된 물의 양을 감지하고 필요에 따라 급수관(210) 및 바이패스관(220)을 통한 급수의 중단, 바이패스관(220)을 통한 급수의 중단 또는 실시를 자동으로 제어하는 것으로서, 바람직하게는 저수조(110)의 수위를 감지하는 수위감지센서(410)와 수위감지센서(410)의 센싱정보를 처리하는 제어장치(420)를 포함한다.
여기서, 수위감지센서(410)는 저수조(110)의 수직방향으로 내부 일측에 결합되어 저수조(110)의 수위를 실시간으로 감지하는 통상적인 센서를 이용하는 것으로 이에 대해서는 당업자의 이해가 자명한 바, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 제어장치(420)는 수위감지센서(410)로부터 전달된 센싱정보를 이용하여 밸브들을 자동을 열고 닫는 것으로, 기준수위 또는 상한수위의 기 설정된 수위정보를 토대로 상기 센싱정보에 의해 감지된 저수조(110)의 현재 수위에 따라 제 1 밸브(230) 또는 제 2 밸브(250)를 작동시킨다.
여기서, 기준수위란 저수조에 저장된 물의 양이 갑작스런 물의 수요 증대에 대응하여 차질없이 수요지로 송수할 수 있는 최소한의 저장량을 보유한 수준일 때의 수위를 의미하는 것으로 저수조(110)의 바닥 단면적 내지 형태에 따라 유동적으로 설정되겠지만 바람직하게는 저수조(110)의 1/3 수준의 수위이다.
즉, 상기 센싱정보에 의해 현재 저수조(110)의 수위가 기 설정된 상기 기준수위와 일치하는 경우에는 제 1 밸브(230)를 온(ON)시켜 바이패스관(220)을 통한 급수를 실시하여 단위시간당 다량의 물을 저수조(110)에 저장하는 것으로 추가적인 물의 수요에 공급이 부족하지 않게 대응할 수 있다.
그리고, 상기 센싱정보에 의해 현재 저수조(110)의 수위가 기 설정된 상기 상한수위와 일치하는 경우에는 저수조(110)가 만충된 것으로 제 2 밸브(250)를 오프(OFF)시켜 외부의 수원으로부터 공급되는 전체의 급수를 중지한다.
이하, 본 발명에 따른 저수조 수력발전 시스템(100)에 관한 작동관계를 도면을 참고하여 상세히 살펴본다. 참고로, 설명의 편의를 위해 이미 언급된 도 1 내지 도 3을 함께 참고하고 동일한 부분에 대한 설명은 동일한 명칭과 동일한 도면부호를 인용한다.
우선, 급수관(210) 및 오리피스노즐(240)을 통해 케이스(310) 내부로 급수를 시작한다(st410).
즉, 제 2 밸브(250)가 열린 상태로 외부의 수원으로부터 공급된 시수는 급수관(210)과 오리피스노즐(240)을 통해 케이스(310) 내부로 유입되고 후술하는 바와 같이 날개(321)와 부딪힌 후 저수조(110)로 저장된다.
이 상태에서, 급수관(210)의 말단 바람직하게는 오리피스노즐(240)의 말단과 대면하는 날개(321)가 배출되는 물과 부딪혀 수차(320)가 회전한다(st420).
따라서, 수차(320)의 회전이 회전축(330)에 연결된 회전자(미도시)에 인가되어 회전자(미도시)와 고정자(미도시)의 상대적 회전에 따라 발전된다.
이 때, 저수조(110)의 수위는 수위감지센서(410)를 통해 지속적으로 감지된다(st430).
이 상태에서, 수위감지센서(410)로부터 감지된 수위가 기준수위에 미달하는지를 판단한다(st440).
이는 제어장치(420)가 수위감지센서(410)로부터 전달되는 실시간의 저수조(110) 수위 센싱정보를 전달받아 기 설정된 기준수위와의 일치여부를 판단한다.
미달하는 경우, 제 1 밸브(230)가 열려 바이패스관(220)을 통해 단위시간당 다량의 물을 저수조(110) 내부로 급수한다(st450).
즉, 상기 센싱정보의 현재상태 수위가 상기 기준수위보다 미달하는 경우 제어장치(420)는 제 1 밸브(230)를 여는 구동신호를 제 1 밸브(230)로 전달하여 제 1 밸브(230)를 온(ON) 시키고 그 결과, 바이패스관(220)을 통해 단위시간당 오리피스노즐(240)을 통해 배출되는 물의 양보다 상대적으로 많은 물이 저수조로 유입된다.
이 때, 오리피스노즐(240)을 통한 급수는 지속되고 발전도 유지된다.
그런 다음, 수위감지센서(410)로부터 감지된 수위가 기준수위에 도달하는지를 판단한다(st460).
이는 제어장치(420)가 수위감지센서(410)로부터 전달되는 실시간의 센싱정보를 전달받아 기 설정된 기준 수위와의 일치여부를 판단한다.
도달한 경우, 제 1 밸브(230)를 잠궈 바이패스관(220)을 통한 급수를 중지한다(st470).
즉, 상기 센싱정보의 현재상태 수위와 기준수위가 일치하는 경우 제어장치(420)는 제 1 밸브(230)를 잠그는 구동신호를 제 1 밸브(230)로 전달하여 제 1 밸브(230)를 오프(OFF) 시키고 그 결과, 바이패스관(220)을 통한 물의 유입은 중단된다.
이 때, 오리피스노즐(240)을 통한 급수는 지속되어 발전은 유지된다.
위와 같이 바이패스관(220)의 급수가 제어되는 일련의 과정과는 별개로 급수관(210)의 말단 또는 오리피스노즐(240)의 말단을 통해 물은 계속 배출되어 전기를 지속적으로 발전하고, 수위감지센서(410)로부터 저수조(110)의 수위가 상한수위까지 도달한 것이 감지된 경우에만 급수관(210)을 통한 급수도 중지된다.
즉, 수위감지센서(410)로부터 감지된 수위가 상한수위와 일치될 경우에는 제어장치(420)가 제 2 밸브(250)를 잠그는 구동신호를 생성하고 이를 제 2 밸브(250)로 전가한다.
따라서, 제 2 밸브(250)는 오프(OFF)되고 저수조(110)에 대한 전체적인 급수는 중지되어 오버플로우되는 것이 방지된다.
이상의 설명은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 지나지 않는바, 다양한 변형이 있을 수 있다. 하지만, 이들 변형이 본 발명의 기술사상에 포함된다면 본 발명의 권리범위 내에 있다 해야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범를 통해 당업자에게 쉽게 파악될 수 있다.
100: 저수조 수력발전 시스템 110: 저수조
120: 송수관 130: 가압펌프
200: 급수부 210: 급수관
220: 바이패스관 230: 제 1 밸브
240: 오리피스노즐 241: 슬릿
250: 제 2 밸브 300: 발전부
310: 케이스 320: 수차
330: 회전축 340: 발전기
400: 수위감지부 410: 수위감지센서
420: 제어장치 W : 물

Claims (4)

  1. 시수를 공급받아 저장하는 저수조;
    상기 저수조의 상부에 수차가 위치하는 발전부;
    상기 수차의 날개와 대면하는 급수관과 상기 급수관에 연결되고 상기 저수조의 상부 중 상기 발전부의 타측으로 인입된 바이패스관과 상기 바이패스관을 온/오프하는 제 1 밸브를 포함하는 급수부; 및
    상기 저수조의 수위를 감지하는 수위감지센서와 상기 수위감지센서의 센싱정보를 처리하는 제어장치가 구비된 수위감지부를 포함하는 저수조 수력발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전부는
    상부 일측으로 상기 급수관이 인입되고 상기 저수조의 상부 일측과 하방이 관통된 케이스;
    상기 케이스의 내부에 상기 급수관의 길이방향에 수직한 회전축을 갖고 복수 개로 마련된 상기 날개 각각의 일면이 회전을 통해 상기 급수관의 말단과 수직하게 대면하는 수차; 및
    상기 회전축에 결합된 회전자와 상기 회전자와 대응되게 고정된 고정자를 갖는 발전기를 포함하는 저수조 수력발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 급수관의 말단은 오리피스노즐이 더 연장된 저수조 수력발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브는 상기 제어장치와 전기적으로 연결된 솔레노이드밸브인 저수조 수력발전 시스템.
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