KR20130037829A - 소수력 복합발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템은, 케이지(22)내에 구비되는 전기자철심(24)과, 전기자코일(26)로 구성되는 고정자유닛(20); 고정자유닛과 근접하여 회전 가능하게 구성된 회전라이너(32)와, 회전라이너의 외주부를 따라 구비된 요크(34)와, 요크내에 구비된 영구자석(36)과, 회전라이너의 내주면에 형성되어 회전라이너의 축방향 중심측으로 내경측 선단이 집중되는 블레이드(38)로 구성되는 회전자유닛(30)으로 구성된 발전모듈(10)을 포함하여 이루어진다.
상기 발전모듈은 용수흐름을 유도하는 가이드수단을 포함한다. 가이드수단은 센터보스(52)와, 센터보스의 둘레를 따라 배치되어 블레이드의 기울어진 방향과 대향되도록 구성된 가이드핀(54)을 포함하여 이루어진다.
본 발명은 센터보스를 통과하여 전방으로 선단이 돌출되는 약품공급관(60)과, 약품공급관의 선단에 구비된 분사노즐(62)로 구성된 약품공급수단을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 본 발명에 의하면 용수유도관을 통과하는 용수의 수력(水力)으로 발전모듈의 회전자유닛이 회전하여 고정자유닛과 상호 작용되어 전류(發電)를 생성함과 동시에, 상기 약품분사수단에서 분사된 약품이 상기 회전자유닛의 회전작용에 의해 용수와 혼화됨으로써 효과적인 발전작용이 이루어지며, 약품의 혼화작용 또한 강하게 이루어지기 때문에 각종 수처리 시설의 운용에 필요한 에너지 및 약품의 혼화에 필요한 설비를 감소할 수 있다는 이점이 있다.

Description

소수력 복합발전시스템{Multiple Power plant system}
본 발명은 정수처리장과 같은 수처리시설에서 용수를 활용하여 발전작용 및 약품 혼화작용을 복합적으로 수행하는 소수력 복합발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수력발전은 물의 흐름에 따른 낙차현상을 이용하여 발전을 행하는 것으로서, 규모에 따라 하천의 댐에 구성되는 이른바 대용량 수력발전시스템과, 소하천과 농수로 및 각종 수처리시설 등에 구성되는 소용량 수력발전시스템(이하 소수력 발전시스템으로 칭함)으로 구분될 수 있다.
여기서, 대용량 수력발전시스템은 발전용량은 크지만, 대규모의 댐과 함께 구성되어야 하므로 시설 가능 지역이 극히 제한적이다.
반면에 소수력 발전시스템은 대용량 수력발전시스템과 달리 주변 자연환경에 대하여 큰 영향을 미치지 않으며, 설비가 비교적 간단하기 때문에 친환경 에너지원으로서 새롭게 주목받고 있다.
특히, 정수처리장과 같은 수처리 시설에 소수력 발전시스템을 도입하는 경우에는, 자연하천에서보다 설비구성이 용이하고, 수처리 시설의 가동에 필요한 동력을 확보할 수 있는 등 많은 장점이 있다.
일반적으로 정수처리장에 갖추어지는 종래의 소수력 발전시스템은 도 1에 나타난 것과 같이 집수정(2)으로부터 하향 경사지게 이어지는 용수유도관(4)상에 배치된 발전터어빈(6) 및 발전장치(8) 등을 포함하여 이루어져 있다.
발전장치(8)는 용수의 수력에 의해 회전되는 발전터어빈(6)에 연결되어 가동됨으로써 전류를 생성하는 것으로서 회전자 및 회전자와 상호 작용하는 고정자 등을 포함하여 이루어져 있다.
이와 같은 종래의 소수력 발전시스템에 의하면 집수정(2)에서 용수유도관(4)을 통해 유동되는 용수의 수력에 의하여 발전터어빈(6)이 회전하게 되고, 발전장치(8)가 발전터어빈(6)에 의해 가동됨으로써 발전장치(8)에서 전류가 생성되는 것이다.
한편, 수처리시설에 갖추어진 소수력 발전시스템의 발전량은 용수의 유동량과 용수유도관(4)의 낙차 등의 요인에 의해 좌우되는 반면, 수처리시설에서의 용수 유동량은 제한적일 수 밖에 없으며, 용수유도관(4) 또한 수처리시설 본래의 목적에 부합되는 범위를 벗어나도록 변형될 수 없다.
즉, 수처리시설에 갖추어진 소수력 발전시스템은 수처리시설의 고유목적을 저해하지 않는 한도내에서 그 구성이 이루어지는 만큼, 제한된 조건하에서 최대한의 발전효율을 이끌어내는 것이 중요하다고 볼 수 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 정수처리장과 같은 수처리시설에서 용수의 흐름을 유도하여, 발전효율을 높임과 동시에 수처리시설에서 사용되는 약품을 혼화하는 기능 또한 수행되도록 하는 소수력 복합발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템은, 링형상의 케이지와, 상기 케이지내에 구비되는 전기자철심과, 상기 전기자철심에 권선되는 전기자코일로 구성되는 고정자유닛과; 상기 고정자유닛의 케이지의 내주면과 근접하여 회전 가능하게 구성된 회전라이너와, 상기 회전라이너의 외주부 둘레를 따라 구비된 요크와, 상기 요크 내에 구비된 다수개의 영구자석과, 상기 회전라이너의 내주면에 형성되어 회전라이너의 축방향 중심측으로 내경측 선단이 집중되는 다수개의 블레이드로 구성되는 회전자유닛과; 상기 고정자유닛의 전면에 결합되는 전방연결관과; 상기 고정자유닛의 후면에 결합되는 후방연결관;으로 구성된 발전모듈을 포함하여 이루어진다.
상기 발전모듈은 상기 회전자유닛 측으로의 용수의 흐름을 상기 블레이드의 기울어진 방향과 대응되는 방향으로 유도함으로써 회전자유닛의 회전효율을 높이는 가이드수단을 포함하여 이루어진다.
상기 가이드수단은 센터보스(center boss)와, 상기 센터보스의 측면둘레를 따라 배치되며, 상기 회전자유닛의 블레이드의 기울어진 방향과 대향되도록 기울어지게 구성된 다수개의 가이드핀(guide fin)과, 상기 각 가이드핀의 외경측 선단을 둘러서 감싸는 형태의 테두리링을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템은 상기 후방연결관의 내부로 인입되어 상기 가이드수단의 센터보스를 통과하여 센터보스의 전방으로 그 선단이 돌출되도록 구성되는 약품공급관과, 상기 약품공급관의 선단에 구비된 분사노즐로 구성된 약품공급수단을 포함하여 이루어진다.
상기 분사노즐은 약품공급관의 선단과 분리 가능하게 연결되며, 측면 둘레를 따라 다수개의 분사홀이 형성된 원통형 구조로 이루어진다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템에 의하면 가이드수단을 갖는 발전모듈이 구비된 특성상 수력을 효과적으로 이용하여 발전작용이 이루어지며, 약품의 혼화작용 또한 수행할 수 있기 때문에 각종 수처리 시설의 운용에 필요한 에너지를 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 약품의 혼화에 필요한 설비를 감소할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 소수력 발전시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2은 본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템의 요부구성을 나타낸 절개사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템의 요부구성을 나타낸 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템의 요부구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템의 발전모듈이 설치된 상태를 나타낸 예시도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도 2부터 도 5까지 참조로 하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 소수력 복합발전시스템은 도 2와 도 3에 나타난 것과 같이 고정자유닛(20)과, 상기 고정자유닛(20)과 상호 작용하도록 구성되는 회전자유닛(30)과, 상기 고정자유닛(20)의 전면에 결합되는 전방연결관(40)과, 고정자유닛(20)의 후면에 결합되는 후방연결관(42)으로 구성되는 발전모듈(10)을 포함하여 이루어진다.
상기 고정자유닛(20)은, 링형상의 케이지(22)와, 상기 케이지(22)내에 구비되는 전기자철심(24)과, 상기 전기자철심(24)에 권선되는 전기자코일(26)로 구성된다.
상기 회전자유닛(30)은 상기 고정자유닛(20)의 케이지(22)의 내주면과 근접하여 회전 가능하게 구성된 회전라이너(32)와, 상기 회전라이너(32)의 외주부 둘레를 따라 구비된 요크(34)와, 상기 요크(34) 내에 구비된 다수개의 영구자석(36)과, 상기 회전라이너(32)의 내주면에 형성되어 회전라이너(32)의 축방향 중심측으로 내경측 선단이 집중되는 다수개의 블레이드(38)로 구성된다.
상기 블레이드(38)는 이른바 축류형으로서 용수의 흐름방향에 대하여 일정각도로 경사지게 배치되어 받음각(angle of attack)을 형성하고, 후술된 바와 같이 그 내경측 선단은 센터보스(52)의 외면과 미세간극을 두고 이격되도록 구성된다.(도 4 참조)
또한, 상기 블레이드(38)는 그 표면에 저항요소(381)가 구비된 형태로 이루어질 수 있는데, 상기 저항요소(381)는 블레이드(38)의 표면을 따라 흐르는 용수에 대한 저항이 커지도록 함으로써 비례적으로 블레이드(38)의 회전속도를 높이기 위한 것으로서, 엠보싱 형태, 십자돌기 형태 등으로 다양하게 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 회전자유닛(30)의 회전라이너(32)는 횡단면상 그 중간에 한쌍의 외곽돌출부(321)가 바깥방향으로 형성되어 상기 요크(34)와 영구자석(36)의 장착공간을 형성하는 형태로 이루어진다.
따라서, 회전자유닛(30)이 고정자유닛(20)과 결합된 상태에서 상기 회전라이너(32)의 외곽돌출부(321)를 중심으로 하여 그 전후방에는 회전라이너(32)과 고정자유닛(20)의 케이지(22)와의 사이에 간극이 형성된다.
그리고, 이 간극에 각각 끼움장착되는 전방마찰베어링(44) 및 후방마찰베어링(44')에 의해 상기 회전라이너(32)가 밀착지지됨으로써 회전자유닛(30)은 자유회전 가능한 상태를 유지하게 된다.
상기 각 마찰베어링(44)(44')은 고정자유닛(20)의 케이지(22)와 전방연결관(40) 및 후방연결관(42)이 결합됨에 따라 그 위치가 견고하게 고정된다.
또한, 상기 발전모듈(10)은 상기 회전자유닛(30) 측으로의 용수의 흐름을 상기 블레이드(38)의 기울어진 방향과 대응되는 방향으로 유도함으로써 회전자유닛(30)의 회전효율을 높이는 가이드수단(50)을 포함하여 이루어진다.
상기 가이드수단(50)은 센터보스(center boss)(52)와, 상기 센터보스(52)의 측면둘레를 따라 배치되며, 상기 회전자유닛(30)의 블레이드(38)의 기울어진 방향과 대향되도록 기울어지게 구성된 다수개의 가이드핀(guide fin)(54)과, 상기 각 가이드핀(54)의 외경측 선단을 둘러서 감싸는 형태의 테두리링(56)을 포함하여 이루어진다.
상기 가이드수단(50)은 테두리링(56)이 상기 전방연결관(40)의 내주면에 밀착되도록 전방연결관(40) 내에 장착되어 도 4에 나타난 것과 같이 상기 센터보스(52)가 상기 블레이드(38)의 내경측 선단과 간극을 두고 회전자유닛(30)의 회전중심을 통과하는 형태로 배치된다.
상기 센터보스(52)는 후술된 바와 같이 전방연결관(40)으로 유입된 용수의 흐름방향과 유속에 변화를 가하기 위한 것으로서, 그 직경이 크고 전후 선단이 둥근 유선형의 원주 형태로 이루어진다.
여기서, 상기 센터보스(52)의 직경은 전방연결관(40) 내경과의 비율로서 결정되는데, 전방연결관(40)의 내경은 통상의 용수 유동시 용수의 수위가 전방연결관(40) 내경의 90% 이상의 높이가 되는 것을 기준으로 하여 정해지며, 실험결과, 센터보스(52)의 직경은 전방연결관(40) 내경의 0.3 ~ 0.38 의 범위 내에서 정해지는 것이 바람직한 것으로 파악되었다.
상기 가이드핀(54)은 그 표면을 타고 흐르는 용수의 유속이 빨라지도록 횡단면이 유선형으로 이루어질 수 있다.
상기 전방연결관(40)과 후방연결관(42)의 선단에는 각각 용수유도관(9)과의 연결이 용이하도록 프랜지부(401)(421)가 갖추어지는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명에 따른 소수력 복합발전수단은 상기 후방연결관(42)의 내부로 인입되어 상기 가이드수단(50)의 센터보스(52)를 통과하여 센터보스(52)의 전방으로 그 선단이 돌출되도록 구성되는 약품공급관(60)과, 상기 약품공급관(60)의 선단에 구비된 분사노즐(62)로 구성된 약품공급수단을 더욱 포함하여 이루어진다.
상기 분사노즐(62)은 약품공급관(60)의 선단과 분리 가능하게 연결되며, 측면 둘레를 따라 다수개의 분사홀(62a)이 형성된 원통형 구조로 이루어지며, 역시 용수의 흐름에 대한 저항이 감소되도록 그 선단이 유선형으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 소수력 발전시스템에 의하면 도 5에 나타난 것과 같이 상기 발전모듈(10)이 용수유도관(9)상에 개재되어 용수유도관(9)을 통과하는 용수의 수력으로 발전작용 및 약품혼화작용이 이루어지는데 이러한 본 발명의 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.
용수유도관(9)을 통해 전방연결관(40)으로 흘러들어온 용수는 우선, 센터보스(52)에 의해 전방연결관(40) 내부에서 가장자리 측으로 편향되며, 센터보스(52)가 있는 구간에서는 용수가 유동되는 공간의 단면적이 축소되므로 상대적으로 용수의 유속이 빨라지게 된다.
그리고, 센터보스(52)에 의해 편향되고, 유속이 빨리진 용수는 가이드핀(54)에 의해 흐름방향이 블레이드(38)의 경사면과 대향되도록 가이드되고, 가이드핀(54)의 표면을 따라 흐르는 과정에서 그 유속이 더욱 빨라지게 된다.
이어서, 가이드핀(54)을 통과한 용수는 블레이드(38)와 부딪히게 되고, 이때 블레이드(38)에 의해 유발되는 이른바 저항력에 의해 회전자유닛(30)이 회전된다.
여기서, 블레이드(38)에 부딪히는 용수의 흐름 방향은 전술한 바와 같이 상기 가이드핀(54)에 의해 블레이드(38)의 경사각에 대향하는 방향 즉, 저항력이 최대가 되는 방향으로 형성된다.
더불어, 용수가 블레이드(38)의 표면을 따라 흐르는 도중에도 블레이드(38)의 표면에 형성된 저항요소(381)에 의해 부가적인 저항이 형성됨으로써, 결과적으로 회전자유닛(30)의 회전작동에 필요한 용수의 에너지가 효율적으로 사용된다.
회전자유닛(30)이 회전하게 되면 회전자유닛(30)의 영구자석(36)이 형성하는 자계가 근접한 고정자유닛(20)의 전기자철심(24)에 자속변화를 유도하여 전기자코일(26)에 전압이 형성됨으로써 발전작용이 이루어지게 된다.
한편, 이와 같은 본 발명에 의하면 상기 블레이드(38)가 회전라이너(32)의 내주면에서 중심측으로 형성되고, 블레이드(38)의 내경측이 센터보스(52)와 이격된 구조상, 일반적인 축류형 발전장치(센터보스가 회전축이 되고, 센터보스에 블레이드가 구비되어 센터보스와 블레이드가 함께 회전하는 구조)와 달리 블레이드(38)에 센터보스(52)의 무게가 인가되지 않기 때문에 회전자유닛(30)의 회전효율이 향상된다는 것을 알 수 있다.
또한, 직경이 큰 센터보스(52)를 둘러싸는 형태로 블레이드(38)가 배치된 특성상 센터보스(52)에 의해 용수의 흐름이 유로(流路)의 가장자리측으로 편향되므로, 축류형의 블레이드(38)을 사용함에 있어서, 에너지효율이 낮은 유로의 중심측으로는 불필요하게 용수의 흐름이 유도되지 않기 때문에, 회전자유닛(30)의 회전효율이 더욱 향상된다.
그리고, 본 발명에 의하면, 약품분사수단의 약품공급관(60)을 통해 공급된 약품이 분사노즐(62)의 각 분사홀(62a)을 통해 방사상으로 분사되며, 분사된 약품은 용수에 섞여서 유동되어 가이드핀(54)에 의한 용수의 유도과정 및 회전되는 블레이드(38)에 의한 혼류과정를 거치면서 용수와 강하게 혼화된다.
여기서, 상기 분사노즐(62)이 약품공급관(60)과 분리 가능하게 구성된 특성상, 분사노즐(62)의 분사홀(62a)이 막히거나 하여 보수가 필요한 경우에는, 분사노즐(62)만을 약품공급관(60)에서 분리하여 보수작업을 행하거나, 경우에 따라서는 새것으로 간편하게 교체할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 정수처리장과 같은 수처리 시설에서 용수의 흐름을 이용하여 내부적으로 필요한 전기를 생성할 수 있으며, 발전작용을 위한 구성요소의 작동특성을 이용하여 약품을 혼화할 수 있기 때문에 약품을 혼화하기 위한 위한 별도의 설비를 필요로 하지 않게 된다.
10: 발전모듈 20: 고정자유닛
22: 케이지 30: 회전자유닛
32: 회전라이너 38: 블레이드
40: 전방연결관 42: 후방연결관
50: 가이드수단 52: 센터보스
54: 가이드핀 56: 테두리링
60: 약품공급관 62: 분사노즐

Claims (5)

  1. 링형상의 케이지와,
    상기 케이지내에 구비되는 전기자철심과,
    상기 전기자철심에 권선되는 전기자코일로 구성되는 고정자유닛;
    상기 고정자유닛의 케이지의 내주면과 근접하여 회전 가능하게 구성된 회전라이너와,
    상기 회전라이너의 외주부 둘레를 따라 구비된 요크와,
    상기 요크 내에 구비된 다수개의 영구자석과,
    상기 회전라이너의 내주면에 형성되어 회전라이너의 축방향 중심측으로 내경측 선단이 집중되는 다수개의 블레이드로 구성되는 회전자유닛;
    상기 고정자유닛의 전면에 결합되는 전방연결관;
    상기 고정자유닛의 후면에 결합되는 후방연결관;
    으로 구성된 발전모듈을 포함하여 이루어지며,
    상기 발전모듈이 낙차를 갖는 용수유도관상에 개재됨으로써 용수유도관을 흐르는 용수의 수력(水力)으로 회전자유닛이 회전하여 고정자유닛과 상호 작용되어 전류(發電)를 생성하는 소수력 복합발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발전모듈은
    상기 회전자유닛 측으로의 용수의 흐름을 상기 블레이드의 기울어진 방향과 대응되는 방향으로 유도함으로써 회전자유닛의 회전효율을 높이는 가이드수단
    을 포함하여 이루어지는 소수력 복합발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가이드수단은
    센터보스(center boss)와,
    상기 센터보스의 측면둘레를 따라 배치되며, 상기 회전자유닛의 블레이드의 기울어진 방향과 대향되도록 기울어지게 구성된 다수개의 가이드핀(guide fin)과,
    상기 각 가이드핀의 외경측 선단을 둘러서 감싸는 형태의 테두리링
    을 포함하여 이루어지며,
    상기 테두리링이 상기 전방연결관의 내주면에 밀착되도록 상기 전방연결관 내에 장착되어 상기 센터보스가 상기 블레이드의 내경측 선단과 간극을 두고 회전자유닛의 회전중심을 통과하는 형태로 배치되는 것
    을 특징으로 하는 소수력 복합발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 후방연결관의 내부로 인입되어 상기 가이드수단의 센터보스를 통과하여 센터보스의 전방으로 그 선단이 돌출되도록 구성되는 약품공급관과,
    상기 약품공급관의 선단에 구비된 분사노즐
    로 구성된 약품공급수단을 포함하여 이루어짐으로써
    상기 약품공급관을 통하여 공급된 약품이 분사노즐로부터 분사되어 가이드핀과 블레이드를 통과하면서 용수와 강하게 혼화되도록 하는 것
    을 특징으로 하는 소수력 복합발전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분사노즐은
    약품공급관의 선단과 분리 가능하게 연결되며,
    측면 둘레를 따라 다수개의 분사홀이 형성된 원통형 구조로 이루어짐으로써
    분사되는 약품이 용수의 흐름방향과 수직되게 방사상으로 분사되도록 하는 것
    을 특징으로 하는 소수력 복합발전시스템.
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