KR20130114464A - 수두 압력을 이용한 부유식 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수관 상부에 설치된 펌프에 의하여 부유구 외부로 물이 펌핑 및 토출될 때 물의 위치수두 및 압력수두에 의하여 지속적으로 물이 수관 하부에 설치된 발전기의 수차를 회전시킴으로써 전기를 생산할 수 있는 수두 압력을 이용한 부유식 발전장치에 관한 것으로,
수두압력을 이용한 부유식 발전장치에 있어서,
호수나 해수의 수면상에 부유할 수 있는 부유구(109);
상기 부유구의 일측에 설치되는 펌프(101);
수관 상부(108a)와 상기 수관 상부(108a)의 아래에 배치되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 큰 직경을 구비한 확관부(108b) 및 상기 수관 상부(108a)와 확관부(108b) 사이에 형성되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 적은 직경을 구비한 협관부(107)를 포함하며, 물이 상기 확관부(108b)로부터 유입되어 상기 수관 상부(108a)를 통하여 토출되도록 형성되는 수관본체(108);
상기 협관부(107)에 인접하여 회전가능하게 설치되는 수차(110)를 구비하며, 발전을 위하여 상기 확관부(108b)의 내부 일측에 고정 설치되는 발전기(103);
상기 발전기(103)에 연결 설치되며, 상기 수차(110)의 회전을 통하여 생산되는 상기 발전기(103)의 전기를 교류로 변환시키는 인버터 유닛(111); 및
상기 인버터(111)를 통하여 변환되는 교류 전기를 저장 및 배전하는 전력생산 유닛(113)을 포함하여 구성되는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치를 특징으로 한다.

Description

수두 압력을 이용한 부유식 발전장치{Float Type Of Hydraulic Power Generation Apparatus Using Pressure Head}

본 발명은 수두 압력을 이용한 부유식 발전장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 수관 상부에 설치된 펌프에 의하여 부유구 외부로 물이 펌핑 및 토출될 때 물의 위치수두 및 압력수두에 의하여 지속적으로 물이 수관 하부에 설치된 발전기의 수차를 회전시킴으로써 전기를 생산할 수 있도록 개량된 부유식 발전장치에 관한 것이다.

통상적으로 수력발전에 있어서, 물의 위치수두는 수면의 높이에 따라서 단위 무게당 물이 갖는 에너지를 의미하며, 이때 수관 속의 유수의 압력은 유속에 따라서 다른 값이 된다. 즉, 압력의 에너지와 속도의 에너지가 호환성이 있다는 것으로 해석되는 것이다. 물의 압력수두는 압력의 세기(P)와 물의 단위 부피의 무게(W)에 의해서 결정될 수 있다. 따라서, 속도를 가진 유수의 에너지를 유속(v)과 중력 가속도(g)를 이용하여 물의 속도수두로 해석할 수 있으며, 이에 의하여 결정되는 에너지를 이용한 수력발전이 다양한 방식으로 발전하고 있다.

한국특허공개 제2003-0000395호(2003년01월06일자 특허공개)에 부유식 수력발전설비가 개시되어 있으며, 이는 호수나 해상에 부선을 띄우고 그 위에 탑형의 수조를 설치한 후 공기펌프의 공기압과 기포발생장치로부터 발생된 기포에 의해 물을 상기 수조에 끌어올려 저장함으로써 별도로 설치된 수차와 발전기를 통해 발전을 할 수 있도록 한 부유식 수력발전설비에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 도 1에 종래의 부유식 수력발전설비의 수직 단면도에 도시된 바와 같이, 종래의 부유식 수력발전설비는 호수나 해수의 수면상에 부유할 수 있는 부선(10); 해수를 저장하기 위해 상기 부선 상에 설치된 수조(20); 상기 수조(20)의 기저부 일측에 설치되고 수차(55)와 발전기(53)를 구비하는 발전장치(50); 압력작용에 의해 호수나 바다의 물을 이송시키기 위해 호수나 바다의 저면에 설치되고, 하부면에 체크밸브(91)를 설치한 수압탱크(90); 상기 수압탱크(90)로부터 상기 수조(20)로 물을 끌어올리기 위해 상기 수압탱크(90)와 상기 수조(20)를 연결하는 양수관(30); 상기 수압탱크(90)에 공기를 투입하여 내부에 소정의 공기압을 형성시키기 위해 상기 부선(10)의 상부에 설치된 공기펌프(40); 및 상기 공기펌프(40)로부터 상기 수압탱크(90)로 공기를 투입하기 위해 상기 공기펌프(40)와 상기 수압탱크(90)를 연결하는 기포관(80)을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 미설명 부호 59는 상기 수조(20)로부터 상기 수차(55)로 유입된 물이 발전을 일으키면서 외부로 방출되는 방수관(59)이다.

종래의 부유식 발전설비는 기포들이 해수를 상기 수조(20)로 이송시키는데 기능을 수행함에 따라서, 물이 수조(20)에 충진되면, 상기 발전장치(50)의 수차(55)를 가동하여 발전기(53)를 작동시키는 것이다. 이때, 수차(55)를 가동시킴으로써 소비된 물의 양은 공기압과 기포의 작동에 의해 지속적으로 수조(20)로 재공급이 되면서, 발전이 계속적으로 이루어질 수 있는 것으로 개시되었다.

하지만, 전술한 종래의 부유식 발전설비는 구조적으로 공기펌프를 이용하여 별도로 기포를 생성해야 하고, 발전을 위하여 물이 양수관을 통하여 부선 상부에 설치된 발전장치에 공급됨으로써 구조적으로 복잡할 뿐만 아니라 발전효율이 크게 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로써 기포의 생성 설비가 필요 없을 뿐만 구조적으로 수두 압력을 이용하여 간단하게 생산된 전기를 용이하게 사용할 수 있는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 호수나 바다의 물을 포함하는 유체의 수두를 이용하여 수관 상부의 펌프의 적은 힘으로 펌핑되는 물에 의하여 수관 하부의 발전기의 수차가 회전됨으로써 전기를 용이하게 생산할 수 있는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

수두압력을 이용한 부유식 발전장치에 있어서,

호수나 해수의 수면상에 부유할 수 있는 부유구(109);

회전 가능하도록 모터에 축결합되는 임펠러를 구비하며, 상기 부유구의 일측에 설치되는 펌프(101);

수관 상부(108a)와 상기 수관 상부(108a)의 아래에 배치되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 큰 직경을 구비한 확관부(108b) 및 상기 수관 상부(108a)와 확관부(108b) 사이에 형성되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 적은 직경을 구비한 협관부(107)를 포함하며, 물이 상기 확관부(108b)로부터 유입되어 상기 수관 상부(108a)를 통하여 토출되도록 형성되는 수관본체(108);

상기 협관부(107)에 인접하여 회전가능하게 설치되는 수차(110)를 구비하며, 발전을 위하여 상기 확관부(108b)의 내부 일측에 고정 설치되는 발전기(103);

상기 발전기(103)에 연결 설치되며, 상기 수차(110)의 회전을 통하여 생산되는 상기 발전기(103)의 전기를 교류로 변환시키는 인버터 유닛(111); 및

상기 인버터(111)를 통하여 변환되는 교류 전기를 저장 및 배전하는 전력생산 유닛(113)을 포함하여 구성되는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치를 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는, 상기 인버터 유닛(111)과 상기 발전기(103) 사이에 배치되며, 상기 발전기의 전기를 정류하는 정류 컨트롤러(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는, 상기 확관부(108b)의 일측에 설치되며, 상기 확관부(108b)의 입구를 형성하는 유입통로(106)를 통하여 어류나 갑각류, 플랑크톤을 포함하는 이물질의 유입을 방지하는 걸림망(116)을 더 포함하는 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는, 상기 수관 상부(108a)에 인접하게 형성되며, 상기 펌프(101)의 임펠러(102)에 의해 토출되는 물을 부유구(109)의 외부로 안내하는 배출구(114)가 상기 부유구(109)의 일측에 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는, 상기 발전기(103)의 일측이 상기 확관부(108b)의 내부에 고정 지지되는 브라켓(115)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는 바다나 호수에서 물의 압력수두 및 속도수두를 이용하여 펌프의 펌핑 작용에 의하여 수관 상부를 통하여 넘쳐 흐름과 동시에 부력에 의하여 물이 상승하는 효과를 증대함으로써 수차 및 발전기를 통하여 전기를 용이하게 생산할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는 발전을 위하여 종래의 부유식 발전설비에 비하여 구조적으로 간단하게 구성됨에 따라서 제조 원가를 감축시킬 수 있으며, 호수나 바다에서 사용이 매우 편리한 장점이 있다.

도 1은 종래의 부유식 수력발전설비의 수직 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치의 개략도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 생산되는 전력의 변환 및 배전 경로를 설명하기 위해 도시된 블럭도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 수관본체의 하부 일측에 수차 및 발전기가 설치된 구성을 나타내는 사진,

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적법하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

설명에 앞서서, 도면 부호 101은 펌프, 102는 펌프의 임펠러, 103은 발전기, 107은 협관부, 108은 수관본체, 108a는 수관본체의 수관 상부, 108b는 확관부, 110은 수차, 111은 인버터 유닛, 113은 전력생산 유닛을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는 유체인 물의 수두를 이용하여 수관 상부에 구성되는 펌프의 임펠러의 적은 힘을 이용하여 큰 힘을 필요로 하는 수관 하부의 수차 발전기가 회전됨에 의하여 전기를 간단하게 생산할 수 있는 바, 도 2 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 부유식 발전기는,

수두압력을 이용한 부유식 발전장치에 있어서,

호수나 해수의 수면(H) 상에 부유할 수 있는 부유구(109);

회전 가능하도록 모터에 축결합되는 임펠러(102)를 구비하며, 상기 부유구의 일측에 설치되는 펌프(101);

수관 상부(108a)와 상기 수관 상부(108a)의 아래에 배치되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 큰 직경을 구비한 확관부(108b) 및 상기 수관 상부(108a)와 확관부(108b) 사이에 형성되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 적은 직경을 구비한 협관부(107)를 포함하며, 물이 상기 확관부(108b)로부터 유입되어 상기 수관 상부(108a)를 통하여 토출되도록 형성되는 수관본체(108)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 수관본체(108)는 수면(H)을 기준으로 대략 수직하게 수면(H)의 아래로 배치되도록 고정 설치되며, 이때 바람이나 파도 및 물의 흐름을 포함하는 자연적인 환경상에서 발생되는 수면(H)의 상하 방향의 유동 및 너울을 고려하여 상기 수관 상부(108a)가 상기 부유구(109)의 일측에 회동 가능하게 고정될 수 있다.

상기 부유구(109)는 바다나 호수에서 상기 수관 상부(108a)의 높이가 물의 수면(H) 보다 대략 40cm 높게 부유되도록 구성되며, 부력을 유지하기 위하여 통상적으로 사용되는 바지선 또는 부유선으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 임펠러(102)는 물의 펌핑을 위하여 상기 펌프(101)의 내부에 설치되는 모터에 임펠러 샤프트(101a)를 통하여 회전가능하게 축결합되며, 펌핑을 위하여 상기 수면(H)의 높이를 고려하여 설치 깊이를 변형할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 협관부(107)에 인접하여 회전가능하게 설치되는 수차(110)를 구비하며, 발전을 위하여 상기 확관부(108b)의 내부 일측에 발전기(103)가 고정 설치된다.

상기 발전기(103)의 수차(110)는 회전 터빈 또는 임펠러를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 발전기(103)는 상기 수차(110)의 회전에 의해 전기를 교류또는 직류의 전기를 생산하기 위한 공지의 전기적 생산수단을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는, 상기 발전기(103)에 연결 설치되며, 물이 상기 확관부(108b) 및 협관부(107)를 통과시 상기 수차(110)의 회전을 통하여 생산되는 상기 발전기(103)의 전기를 교류로 변환시키는 인버터 유닛(111); 및

상기 인버터(111)를 통하여 변환되는 교류 전기를 저장 및 배전하는 전력생산 유닛(113)을 포함하여 구성된다.

한편, 본 발명의 일실시예 따르면, 상기 인버터 유닛(111)과 상기 발전기(103) 사이에 배치되며, 상기 발전기의 전기를 정류하는 정류 컨트롤러(112)를 더 포함하여 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는, 상기 확관부(108b)의 입구를 형성하는 유입통로(106)를 통하여 어류나 갑각류, 플랑크톤을 포함하는 이물질의 유입을 방지하기 위하여 상기 확관부(108b)의 일측에 설치되는 걸림망(116)을 더 포함하는 구성된다. 상기 걸림망(116)은 필터 수단으로 변형될 수 있으며, 공지의 클램핑 수단을 통하여 상기 확관부(108b)의 입구에 고정 설치될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 부유구(109)의 일측에서 상기 펌프(101)의 임펠러(102)에 의해 토출되는 물을 부유구(109)의 외부로 안내하는 배출구(114)가 상기 수관 상부(108a)에 인접하게 구성될 수 있다. 또한, 상기 발전기(103)의 일측은 상기 확관부(108b)의 내부에 고정 지지되도록 브라켓(115)에 고정될 수 있다.

이하, 전술한 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치의 작동원리를 설명한다.

수두압력을 이용한 부유식 발전장치는 사용과정에서 바다나 호수의 물을 이용하여 펌프(101) 및 임펠러(102)의 펌핑 작용에 의해서 물이 수관 상부(108a)를 지나 부유구(109)의 배출구(104) 측으로 분출되며, 이때 확관부(108b)의 입구 상에 형성되는 유입통로(106)를 통하여 유입되는 물이 부력 및 수두압력에 의하여 수차(110)를 밀어올리는 힘으로 작용한다.

예컨대, 수관 상부(108a)에 설치되는 펌프(101)의 임펠러(102)가 회전하면, 물은 확관부(108b)의 입구 측에 형성되는 유입통로(106)를 지나 상대적으로 직경이 적은 협관부(107)의 내부를 통과할 경우, 관로 내부의 압력이 낮아져서 물의 통과 속도를 증가시킨다.

반면에, 부유구(109)의 배출구(114)에 인접한 임펠러(102)를 통과하는 지점으로 물이 이동되는 과정에서, 수관본체(108)의 관로 내부에서의 물의 속도는 낮아짐과 동시에 압력이 높아진다. 이는 수관 상부(108a)에 인접하게 설치되는 임펠러(102)의 가동시 낮은 소비전력을 저감시킨다.

본 발명에 있어서, 전술한 발전기(103)의 힘 또는 발전 용량은 수차(110)에 대하여 단위체적당 걸리는 외력과 물의 밀도, 압력 및 점성계수를 고려하여 결정될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 발전기(103)의 힘은 수면(H)을 기준으로 대략 수직하게 구성되는 수관본체(108)의 깊이 및 수관본체(108)의 확관부(108b)에 설치되는 수차(107)까지의 깊이에 의존하여 결정될 수 있으며, 수관 상부(108a)의 임펠러(102)에 요구되는 전력량의 15배에서 200배 이상으로 얻어지는 것으로 나타났다.

이와 같이, 본 발명에 따른 수두압력을 이용한 부유식 발전장치는 바다나 호수에서 물의 압력수두 및 속도수두를 이용하여 펌프의 펌핑 작용에 의하여 수관 상부를 통하여 넘쳐 흐름과 동시에 부력에 의하여 물이 상승하는 효과를 증대함으로써 수차 및 발전기를 통하여 전기를 간단하게 생산할 수 있는 것이다.

한편, 상기 발전기(103)에서 생산되는 전기는 정류 컨트롤러(112) 및 인버터 유닛(111)를 통하여 각각 정류 및 교류 변환되며, 전력생산 유닛(113)에 저장된 이후 공장이나 가정용으로 사용하기 위하여 배전 및 송전하는 과정은 종래의 요소들을 적절하게 구성할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

이상, 상기의 실시예는 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 따라서, 상기의 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하고, 그 범위는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물을 포함한다.

101 ; 펌프
103 ; 발전기
105 ; 토출통로
107 ; 협관부
108 ; 수관본체
108a ; 수관 상부
108b ; 확관부
110 ; 수차
111 ; 인버터 유닛
113 ; 전력생산 유닛
115 ; 브라켓

Claims (5)

1. 수두압력을 이용한 부유식 발전장치에 있어서,
   호수나 해수의 수면상에 부유할 수 있는 부유구(109);
   회전 가능하도록 모터에 축결합되는 임펠러를 구비하며, 상기 부유구의 일측에 설치되는 펌프(101);
   수관 상부(108a)와 상기 수관 상부(108a)의 아래에 배치되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 큰 직경을 구비한 확관부(108b) 및 상기 수관 상부(108a)와 확관부(108b) 사이에 형성되며 상기 수관 상부(108a)의 직경 보다 적은 직경을 구비한 협관부(107)를 포함하며, 물이 상기 확관부(108b)로부터 유입되어 상기 수관 상부(108a)를 통하여 토출되도록 형성되는 수관본체(108);
   상기 협관부(107)에 인접하여 회전가능하게 설치되는 수차(110)를 구비하며, 발전을 위하여 상기 확관부(108b)의 내부 일측에 고정 설치되는 발전기(103);
   상기 발전기(103)에 연결 설치되며, 상기 수차(110)의 회전을 통하여 생산되는 상기 발전기(103)의 전기를 교류로 변환시키는 인버터 유닛(111); 및
   상기 인버터(111)를 통하여 변환되는 교류 전기를 저장 및 배전하는 전력생산 유닛(113)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 인버터 유닛(111)과 상기 발전기(103) 사이에 배치되며, 상기 발전기의 전기를 정류하는 정류 컨트롤러(112)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 확관부(108b)의 일측에 설치되며, 상기 확관부(108b)의 입구를 형성하는 유입통로(106)를 통하여 어류나 갑각류, 플랑크톤을 포함하는 이물질의 유입을 방지하는 걸림망(116)을 더 포함하는 구성되는 것을 특징으로 하는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 수관 상부(108a)에 인접하게 형성되며, 상기 펌프(101)의 임펠러(102)에 의해 토출되는 물을 부유구(109)의 외부로 안내하는 배출구(114)가 상기 부유구(109)의 일측에 구성되는 것을 특징으로 하는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 발전기(103)의 일측이 상기 확관부(108b)의 내부에 고정 지지되는 브라켓(115)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수두압력을 이용한 부유식 발전장치.

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