KR20130011881A - 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치는 제1 발전기를 수용하는 제1 하우징과, 제2 발전기를 수용하는 제2 하우징과, 수직 방향으로 길게 뻗는 몸체와 상기 몸체의 상단면에 돌출 형성되는 상부 회전축과 상기 몸체의 하단면에 돌출 형성되는 하부 회전축을 포함하여 구성되고 상기 몸체는 내통과 상기 내통과 일정한 간격을 두고 상기 내통을 둘러싸는 외통을 포함하여 구성되며 상기 몸체의 내통과 외통 사이 공간의 상단면에는 유입구가 구비되고 상기 몸체의 내통과 외통 사이 공간의 하단면에는 배출구가 구비되며 상기 상부 회전축은 축베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 제1 발전기와 결합하여 회전되면 상기 제1 발전기를 가동하고 상기 하부 회전축은 축베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 제2 발전기와 결합하여 회전되면 상기 제2 발전기를 가동하도록 구성되는 원통형 회전체와, 상기 원통형 회전체를 수용하고 상단부에 물 입구가 형성되고 하단부에 물 출구가 형성되는 제 3 하우징과, 외측단은 상기 원통형 회전체의 외통과 결합하고 내측단은 상기 원통형 회전체의 내통과 결합하여 상기 원통형 회전체의 내통과 외통 사이 공간에서 상기 내통을 수회 감싸면서 나선을 이루도록 설치되고 상기 원통형 회전체의 상단부에서 하단부까지 연장되면서 나선형 경사를 이루는 유로판과, 상기 원통형 회전체의 몸체의 외통과 상기 제3 하우징의 내측면 사이에 설치되는 다수 개의 원주 베어링 및 상기 제3 하우징 내부공간 중 상기 물 입구의 아래쪽 및 상기 원통형 회전체의 몸체의 위쪽에 설치되고 상방에서 하방으로 갈수록 좁아지는 노즐 구멍을 구비하는 노즐이 구비되어 상기 물 입구로 유입된 물이 상기 노즐 구멍을 통해서만 상기 원통형 회전체의 몸체의 유입구를 통해 상기 유로판으로 낙하하도록 하는 고정 노즐판을 포함하여 구성된다.

Description

나선형 유로를 가진 수력 발전 장치 {HYDROELECTRIC POWER GENERATOR WITH SPIRAL WATERWAY}
본 발명은 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물이 낙하할 때의 에너지를 나선형 유로를 구비한 회전체를 이용하여 발전하는 수력발전장치에 관한 것이다.
종래의 수차를 이용한 양수 발전기는 심야에 하부지 댐에서 양수하여 상부지 댐에 저장한 후 전력수요가 큰 낮 시간에 하부지 댐으로 낙하시킴으로써 관수로를 따라 내려간 물이 낙하의 마지막 순간에 수차의 터빈 날개와 충돌함으로써 발전을 일으키는 방식으로서 물의 위치에너지를 운동에너지로 전환시켜 에너지를 얻는데, 마지막 일순간의 충돌만으로 터빈 날개를 회전시키므로 에너지 전환 비율이 낮아서 발전 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2003-0088105호(2003. 11. 17)
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명은 물이 낙하하는 동안 계속적으로 발전기의 축을 돌리는 힘을 가함으로써 발전효율이 우수한 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치는 제1 발전기를 수용하는 제1 하우징과, 제2 발전기를 수용하는 제2 하우징과, 수직 방향으로 길게 뻗는 몸체와 상기 몸체의 상단면에 돌출 형성되는 상부 회전축과 상기 몸체의 하단면에 돌출 형성되는 하부 회전축을 포함하여 구성되고 상기 몸체는 내통과 상기 내통과 일정한 간격을 두고 상기 내통을 둘러싸는 외통을 포함하여 구성되며 상기 몸체의 내통과 외통 사이 공간의 상단면에는 유입구가 구비되고 상기 몸체의 내통과 외통 사이 공간의 하단면에는 배출구가 구비되며 상기 상부 회전축은 축베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 제1 발전기와 결합하여 회전되면 상기 제1 발전기를 가동하고 상기 하부 회전축은 축베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 제2 발전기와 결합하여 회전되면 상기 제2 발전기를 가동하도록 구성되는 원통형 회전체와, 상기 원통형 회전체를 수용하고 상단부에 물 입구가 형성되고 하단부에 물 출구가 형성되는 제 3 하우징과, 외측단은 상기 원통형 회전체의 외통과 결합하고 내측단은 상기 원통형 회전체의 내통과 결합하여 상기 원통형 회전체의 내통과 외통 사이 공간에서 상기 내통을 수회 감싸면서 나선을 이루도록 설치되고, 상기 원통형 회전체의 상단부에서 하단부까지 연장되면서 나선형 경사를 이루는 유로판과, 상기 원통형 회전체의 몸체의 외통과 상기 제3 하우징의 내측면 사이에 설치되는 다수 개의 원주 베어링 및 상기 제3 하우징 내부공간 중 상기 물 입구의 아래쪽 및 상기 원통형 회전체의 몸체의 위쪽에 설치되고 상방에서 하방으로 갈수록 좁아지는 노즐 구멍을 구비하는 노즐이 구비되어 상기 물 입구로 유입된 물이 상기 노즐 구멍을 통해서만 상기 원통형 회전체의 몸체의 유입구를 통해 상기 유로판으로 낙하하도록 하는 고정 노즐판을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 원통형 회전체의 내통의 직경은 상기 원통형 회전체의 외통의 직경의 2/4～3/4인 것이 바람직하다.
또한, 상기 회전체 및 상기 유로판을 수직 단면을 따라 자른다고 가정할 때 상기 유로판과 상기 회전체의 외통의 결합 지점들 중 위아래로 최근접된 두개의 결합 지점들 사이에 위치하는 상기 외통의 부분 중 바로 위쪽의 결합 지점과 가까운 곳에 형성되는 외통 공기구멍이 다수 개 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정 노즐판에 다수 개의 에어구멍이 형성되고 상기 에어구멍으로부터 상방으로 공기가 빠져나갈 수 있도록 하는 에어배출관이 상기 고정 노즐판과 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유로판의 경사각은 수평면에 대하여 40～50° 인 것이 바람직하다.
이상에서와 같이, 본 발명에 의한 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치에 의하면 유입된 물이 원통형 회전체의 외통과 내통 사이의 공간을 통해 낙하하는 동안 지속적으로 회전 가능한 유로판과 접촉하면서 유로판에 힘을 가하여 회전력을 발생시키기 때문에 물의 낙하로 인한 위치에너지의 감소량이 높은 효율로 발전기의 전기에너지로 전환되고, 직접 힘을 받게 되는 유로판이 원통형 회전체 및 발전기 축의 회전 중심으로부터 멀리 이격되어 있기 때문에 원통형 회전체가 높은 토크의 힘을 받게 되어 강한 회전력을 얻을 수 있으며, 외통 공기구멍과 에어 구멍 및 노즐 등의 구성으로 인해 유로판에 충돌되는 물의 압축된 정도가 높게 유지되므로 발전 장치의 효율이 우수하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치를 나타낸 정단면도.
도 2는 고정 노즐판을 따라 자른 모습을 나타낸 평단면도.
도 3은 본 발명에 의한 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치의 일부 정면도.
이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치를 나타낸 정단면도이다.
본 발명에 의한 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치는 제1 발전기(100), 제2 발전기(110), 제1 하우징(200), 제2 하우징(210), 제3 하우징(220), 원통형 회전체(300), 유로판(400), 고정 노즐판(500), 축 베어링(600) 및 원주 베어링(700)을 포함하여 구성된다.
제1 하우징(200) 내부에 제1 발전기(100)가 설치되고, 제2 하우징(210) 내부에 제2 발전기(120)가 설치되며, 제3 하우징(220) 내부에 원통형 회전체(300)와 유로판(400), 고정 노즐판(500)이 설치된다. 수력 발전 장치의 상단부에는 제1 하우징(200)이, 하단부에는 제2 하우징(210)이, 제1 하우징(200)과 제2 하우징(210) 사이에는 제3 하우징(220)이 설치되어 전체적으로 수직 방향으로 길게 뻗는 형태를 가진다. 제3 하우징(220)의 상단부 측면에는 외부에서 물이 유입될 수 있도록 수평관 형태의 물 입구(221)가 구비되고, 제3 하우징(100)의 하단부 측면에는 외부로 물이 배출될 수 있도록 수평관 형태의 물 출구(222)가 구비된다.
원통형 회전체(300)는 몸체(310), 상부 회전축(320) 및 하부 회전축(330)을 포함하여 구성된다.
원통형 회전체(300)의 상단면에는 상부 회전축(320)이 돌출 형성되고, 원통형 회전체(300)의 하단면에는 하부 회전축(330)이 돌출 형성되며, 상부 회전축(320)은 제1 발전기(100)의 축과 결합하고 하부 회전축(330)은 제2 발전기(110)의 축과 결합된다. 상부 회전축(320)은 제1 하우징(200)과 제3 하우징(220) 사이에 설치된 축 베어링(600)에 의해 회전 가능하게 지지되고, 하부 회전축(330)은 제2 하우징(210)과 제3 하우징(220) 사이에 설치된 축 베어링(600)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
원통형 회전체(300)의 몸체는 내통(311)과 외통(312)의 두 개의 원통으로 이루어지는데, 외통(312)이 내통(311)과 일정한 간격을 유지하며 내통(311)을 둘러싸는 형태로 구성된다. 외통(312)의 직경은 내통(311) 직경의 두 배 이상이 되도록 구성한다. 몸체(310)의 상단면에는 내통(311)과 외통(312) 사이 공간과 통하는 유입구(314)가 형성되고, 몸체(310)의 하단면에는 내통(311)과 외통(312) 사이 공간과 통하는 배출구(315)가 형성된다. 원통형 회전체(300)의 외통(312)의 외측면과 제3 하우징(220)의 내측면 사이에는 높이를 달리하는 다수 개의 원주 베어링(700)이 설치되어 있어 원통형 회전체(300)가 원주 베어링(700)에 의해 회전 가능하게 지지되어 고속 회전시에도 안정된 동작이 가능하다.
원통형 회전체(300)의 외통(312)과 내통(311) 사이 공간에는 나선형의 유로판(400)이 구비된다. 유로판(400)은 바깥쪽 가장자리가 외통(312)과 결합하고 안쪽 가장자리가 내통(311)과 결합하여 내통(311)과 외통(312) 사이 공간에 설치되고, 원통형 회전체(300)의 상단부에서 하단부까지 연장되면서 몸체(310)의 내통(311)을 둘러싸면서 나선형 경사를 이루며 위아래로 길게 연장된다. 이때 유로판(400)은 수평면에 대하여 45° 경사를 이루는 것이 바람직하다. 유로판(400)은 원통형 회전체(300)의 직경이 큰 경우에는 직경에 비례하여 여러 개를 설치하는 것이 바람직하다.
고정 노즐판(500)은 가장자리가 제3 하우징(220)의 내측면과 결합하여 원통형 회전체(300)의 바로 위에 고정 설치된다. 고정 노즐판(500)은 도 2에 도시된 것과 같이, 위에서 볼 때 바로 아래쪽에 원통형 회전체(300)의 유입구(314)가 있게 되도록 원주와 가까운 가장자리 부근에 네 개의 길고 원호 형태로 구부러진 노즐(510) 구멍이 형성된다. 노즐(510)이 고정 노즐판(500)과 일체로 형성되어 노즐(510) 구멍이 위쪽에서 아래쪽으로 갈수록 점점 좁아지는 형태를 가진다. 또한, 고정노즐판(500) 중 노즐(510) 구멍 안쪽으로 노즐(510) 구멍과 인접하는 부위에 네 개의 에어구멍(520)이 형성되며 에어구멍(520)은 위로 길게 연장되어 관 형태를 가진다.
한편, 도 3에 도시된 것과 같이, 외통(312)에는 다수 개의 외통 공기구멍(313)이 형성된다. 본 실시 예에서는 외통 공기구멍(313)이 수직 방향으로 일정한 간격을 두고 띄엄띄엄 다수 개가 형성된다. 외통 공기구멍(313)은 물이 유로판(400)을 타고 내려갈 때 어느 일부분의 물이라도 위쪽 유로판(400) 부분과 아래쪽 유로판(400) 부분 사이에 위치하게 되는데, 이때 그 일부분의 물은 위쪽 유로판(400) 부분과 아래쪽 유로판(400) 부분 사이의 거리의 80％ 미만 정도로 차있게 되어 위쪽 유로판(400) 부분의 바로 아래쪽 공간은 물이 차있지 않는 공간이 형성되며, 이 물이 차있지 않은 공간의 공기를 배출하기 위해 외통 공기구멍(313)이 구비된다. 따라서 외통 공기구멍(313)의 위치는 서로 높이를 달리하며 위아래로 마주보는 유로판(400)의 각 부분의 바로 아래쪽에 위치하는 외통(312) 부분에 형성된다.
상부 회전축(320)과 하부 회전축(330) 둘레 각각에는 회전축을 둘러싸는 칸막이(214)가 구비되어 유입 또는 유출되는 물의 효과적 흐름을 조절 유도 하고, 아울러 패킹 기능도 한다.
상기한 것과 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
이미 펌핑하여 모아놓은 상부 저수지의 물 또는 상류에서 자연적으로 흘러 내려오는 물이 본 발명에 따른 수력 발전 장치의 물 입구(221)를 통해 유입되도록 한다. 이때 물 입구(221)를 형성하는 관의 위쪽에 공기배출구(223)가 구비되어 물 입구(221)에 급작스럽게 유입된 물의 기포에 있는 공기가 공기배출구(223)를 통해 빠져나갈 수 있다.
물 입구(221)를 통해 유입된 물은 고정 노즐판(500)의 노즐(510)을 통해 원통형 회전체(300)의 유입구(314)를 지나 원통형 회전체(300)의 외통(312)과 내통(311) 사이 공간으로 낙하하게 된다. 고정 노즐판(500)에도 다수 개의 에어 구멍(520)이 구비되어 있어서 갑작스럽게 고정 노즐판(500)으로 몰려들어 노즐(510)을 통해 낙하된 물에 있는 기체들이 에어구멍(520)을 통해 제1 하우징(200)으로 빠져나갈 수 있다. 이와 같이 물에 있는 공기들이 빠질 수 있도록 구멍이 형성된 이유는 물이 기포들에 의해 흩어지지 않고 가급적 덩어리져서 밀도가 높아지도록 함으로써 물이 낙하하여 유로판(400)과 충돌하는 힘이 크도록 하기 위함이다. 또한, 노즐(510)을 통해 물을 낙하시키는 이유는 물이 낙하하여 처음으로 유로판(400)과 충돌하면 물이 사방으로 퍼져 분산되기 때문에 미리 낙하되는 물을 노즐(510)에 의해 모아줌으로써 물이 과도하게 퍼지는 것을 방지하여 물의 낙하로 인해 발생되는 힘이 최대한 분산되지 않도록 하기 위한 것이다.
물이 원통형 회전체(300)의 외통(312)과 내통(311) 사이 공간에 유입되면 나선형의 유로판(400)을 타고 낙하하면서 지속적으로 유로판(400)을 위에서 아래로 밀어내므로 45° 경사를 이루는 유로판(400)이 측방으로 힘을 받게 되어 회전하게 되며 이와 결합된 원통형 회전체(300)도 함께 회전한다. 원통형 회전체(300)의 회전에 의해 원통형 회전체(300)의 상부 회전축(320)과 하부 회전축(330)에 각각 결합된 제1 발전기(100)와 제2 발전기(110)의 축이 회전하여 발전을 하게 된다.
물이 유로판(400)을 타고 맨 아래까지 내려오게 되면 원통형 회전체(300)의 배출구(315) 및 제3 하우징(220)의 물 출구(222)를 통해 유출 한다.
상부지댐(펌프)의 낙차높이 10[m]확보 상기 유로판(400)상방부에 유속 10[m/s]로 유입 효과적 유지가 바람직하다. 상기 상부지 댐(펌프)의 낙차높이 10[m]재외 부분이 나선형의 유로판(400)이 되어 유로판(400)내 물 80％ 미만으로 차서 상기 유로판(400)상방부에 유속 10[m/s] 유입하는 관성력과, 중력에 의해 45도 경사진 나선형 유로판(400)의 전체를 일일이 위에서 눌러주어 자유낙하 유출 작용하는 반작용에 의해 원통형 회전체(300)가 회전된다.
이때 물은 유입 지점에서부터 유출 지점까지 수직 방향으로 똑바로 낙하하게 되어 원통형 회전체(300)의 외통(312)과 내통(311) 사이의 물의 낙하력 작용의 총 파워효과가 발전기 축의 회전력으로 전환된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명은 바람직한 구체적인 예들에 대해서만 기술하였으나, 상기의 구체적인 예들을 바탕으로 한 본 발명의 기술사상 범위 내에서의 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 또한, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구 범위에 속함은 당연한 것이다.
100: 제1 발전기 110: 제2 발전기
200: 제1 하우징 210: 제2 하우징
220: 제3 하우징 221: 물 입구
222: 물 출구 223: 공기 배출구
300: 원통형 회전체 310: 몸체
311: 내통 312: 외통
313: 외통 공기구멍 314: 유입구
315: 배출구 320: 상부 회전축
330: 하부 회전축 400: 유로판
500: 고정 노즐판 510: 노즐
520: 에어구멍 600: 축 베어링
700: 원주 베어링

Claims (5)

  1. 제1 발전기를 수용하는 제1 하우징;
    제2 발전기를 수용하는 제2 하우징;
    수직 방향으로 길게 뻗는 몸체와 상기 몸체의 상단면에 돌출 형성되는 상부 회전축과 상기 몸체의 하단면에 돌출 형성되는 하부 회전축을 포함하여 구성되고, 상기 몸체는 내통과 상기 내통과 일정한 간격을 두고 상기 내통을 둘러싸는 외통을 포함하여 구성되며, 상기 몸체의 내통과 외통 사이 공간의 상단면에는 유입구가 구비되고 상기 몸체의 내통과 외통 사이 공간의 하단면에는 배출구가 구비되며, 상기 상부 회전축은 축베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 제1 발전기와 결합하여 회전되면 상기 제1 발전기를 가동하고, 상기 하부 회전축은 축베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 제2 발전기와 결합하여 회전되면 상기 제2 발전기를 가동하도록 구성되는 원통형 회전체;
    상기 원통형 회전체를 수용하고 상단부에 물 입구가 형성되고 하단부에 물 출구가 형성되는 제 3 하우징;
    외측단은 상기 원통형 회전체의 외통과 결합하고 내측단은 상기 원통형 회전체의 내통과 결합하여 상기 원통형 회전체의 내통과 외통 사이 공간에서 상기 내통을 수회 감싸면서 나선을 이루도록 설치되고, 상기 원통형 회전체의 상단부에서 하단부까지 연장되면서 나선형 경사를 이루는 유로판;
    상기 원통형 회전체의 몸체의 외통과 상기 제3 하우징의 내측면 사이에 설치되는 다수 개의 원주 베어링; 및
    상기 제3 하우징 내부공간 중 상기 물 입구의 아래쪽 및 상기 원통형 회전체의 몸체의 위쪽에 설치되고, 상방에서 하방으로 갈수록 좁아지는 노즐 구멍을 구비하는 노즐이 구비되어 상기 물 입구로 유입된 물이 상기 노즐 구멍을 통해서만 상기 원통형 회전체의 몸체의 유입구를 통해 상기 유로판으로 낙하하도록 하는 고정 노즐판을 포함하여 구성되는 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 회전체의 내통의 직경은 상기 원통형 회전체의 외통의 직경의 2/4～3/4인 것을 특징으로 하는 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전체 및 상기 유로판을 수직 단면을 따라 자른다고 가정할 때 상기 유로판과 상기 회전체의 외통의 결합 지점들 중 위아래로 최근접된 두개의 결합 지점들 사이에 위치하는 상기 외통의 부분 중 바로 위쪽의 결합 지점과 가까운 곳에 형성되는 외통 공기구멍이 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고정 노즐판에 다수 개의 에어구멍이 형성되고 상기 에어구멍으로부터 상방으로 공기가 빠져나갈 수 있도록 하는 에어배출관이 상기 고정 노즐판과 결합되는 것을 특징으로 하는 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유로판의 경사각은 수평면에 대하여 40～50° 인 것을 특징으로 하는 나선형 유로를 가진 수력 발전 장치.
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