KR20140061270A - 수로를 이용한 소수력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축(122)에 의해 회전가능하고 다수개의 날개를 구비하는 수차(120)와, 상기 수차를 베어링에 의해 지지하고 수로의 안쪽에 설치되는 본체(110)와, 상기 수차(120)의 회전에 의해 전기를 발생하는 발전기(140)로 이루어지는 소수력 발전장치(100)에 있어서, 상기 본체(110)의 하부에는 물유입구(112)와 물배출구(113)가 형성되되 회전축(122)보다 아래에 형성되도록 하고, 물유입구(112) 상단에는 아래를 향하도록 경사지게 설치된 유도판(111)이 형성되며, 수차(120)의 회전축(122)의 중간부에는 다각 형상의 날개축(123)이 형성되도록 하되 상기 날개축(123)에 판 형상의 날개(121)가 부착되도록 형성되도록 구성되는 소수력 발전장치 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 수로의 바닥을 향해 경사지게 형성되는 유도판에 의해 물의 흐름이 유도됨으로써 수압이 높아지도록 하고, 또한 수차 날개는 물의 진행방향으로 오목하게 호형상으로 이루어지도록 함으로써 물을 흐름을 수로의 중앙으로 모아 주어 수차 날개에 큰 힘이 전달되도록 함과 동시에 수차 날개에 가해지는 물의 저항은 최소화할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

수로를 이용한 소수력 발전장치{Hydroelectric power generation apparatus using waterway}

본 발명은 수로를 이용한 소수력 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수로의 구조 및 유속, 유량 등을 감안하여 최적 설계된 수차와 수차 하우징을 구비하는 소수력 발전장치에 관한 것이다.

일반적인 발전방법에는 수력을 이용한 수력발전, 화석연료를 이용한 화력발전, 원자력을 이용한 원자력발전 등을 들 수 있는데, 이러한 발전방법들은 대규모의 발전설비와, 막대한 양의 에너지원을 필요로 하며 설치장소에 제약과 환경오염, 자원 고갈과 같은 문제를 야기하게 된다.

따라서 최근에는 태양열, 조력, 파력, 풍력 및 수력 등의 자연에너지를 이용하여 친환경적이면서도 영구적으로 에너지원을 활용할 수 있는 발전 방법들이 개발되어 적용되고 있으나 태양 및 풍력발전은 날씨와 환경에 상당한 제약을 받는 것이며, 조력 및 파력 발전은 조수 간만의 차가 심한 지역에 설치해야 필요전력을 얻을 수 있어 한정된 장소에만 설치해야 하는 장소의 제약이 따르는 등의 문제점을 갖는다.

특히 산간이나 농촌지역과 같이 대규모 발전 등이 곤란한 지역에서는 소수력발전에 의한 전력공급이 바람직한데, 소수력발전은 인근 소하천의 유수를 이용하여 전력을 생산하는 방법으로, 발전방식에 따라 하천경사가 급한 상류지역에 효율적인 수로식(Run of rivertype)과, 하천경사가 적은 중하류의 유량이 풍부한 지역에 효율적인 댐식(Storage type), 그리고 수로식과 댐식의 혼합방식으로 굴곡이 심한 하천지역에 적합한 터널식(tunnel type) 등이 있으며, 발전용 수차로는 충격형 수차와 반동형 수차가 있다.

상기 충격형 수차로는 펠톤(Pelton)수차, 튜고(Turgo)수차, 오스버그(Ossberger)수차 등이 있으며, 반동형 수차로는 카프란(Kaplan), 튜브라(Tubular), 벌브(Bulb), 림(Rim) 등의 프로펠러수차와 프란시스(Francis)수차 등이 있다.

이처럼 비교적 설치장소에 제약을 덜 받으며 지속적인 전력생산이 가능한 소수력 발전방법이 농촌 및 산간지역과 같이 소규모의 전력이 요구되는 곳에 매우 요긴한 것으로 알려지면서 대한민국 공개특허공보 제1991-0001971호 "하천 유수를 이용해 전력을 생산하는 소수력 발전장치" 및 대한민국 공고실용신안공보 제1993-8538호 "댐의 수문설비를 이용한 소수력 발전장치" 등이 출원된 바 있다.

그러나 대한민국 공개특허공보 제1991-0001971호와 같은 소수력 발전장치는 수중에 설치되는 보에 맞물려 돌아가는 물레방아형의 수차 발전기로써, 대략 2.5m의 낙차를 이용하여 발전기를 회전시키도록 되어 있어 하천 수로에 상당한 낙차를 갖는 지형적 입지조건이 필요하게 된다. 따라서 이 역시 지형에 의해 발전이 영향을 받는 단점을 갖는 것이다.

또한 대한민국 공고실용신안공보 제1993-8538호는 저수댐을 설치하고, 상기 저수댐에 설치되는 수문에 발전기를 설치하여 댐에서 방수되는 물을 이용하여 전력을 얻는 구조여서 이 역시 낙차가 요구되는 구조이고 댐에서 물이 방수되는 경우에만 발전이 가능한 구조여서 지속적인 발전이 곤란한 단점을 갖는다.

따라서 종래 소수력 발전장치는 농수로와 같은 낙차가 크지 못한 지형, 수평형 수로에서는 작동이 곤란한 구조인 것이어서 실질적으로 소수력 발전의 혜택을 보아야 하는 지역에서는 그다지 큰 도움이 되지 못하는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 소수력 발전장치의 단점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 완만한 경사를 갖고 소량의 물이 지속적으로 흐르는 대부분의 수로에 설치가능한 구조를 갖되, 수차 전방에 유도판을 형성하여 수압을 수차 앞에서 최대화시키고, 또 수차 날개의 구조를 호형상으로 형성하여 물을 가운데로 모아 물의 흐름을 유도하고, 유속의 감소를 최소화함으로써 수차의 회전 속도를 최대화하며, 수차의 배열각을 수평형 수로에 최적화시킴으로써 최대치의 전력생산을 가능하게 함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 원통형 수차가 축에 의해 회전가능토록 내장된 하우징과 상기 하우징 하단에 형성된 물 유입구의 상측에 수로의 바닥을 향해 경사지게 형성되는 유도판과, 상기 유도판의 후방에 수차의 날개 하단부가 위치하도록 형성되는 수차와, 상기 수차의 회전에 의해 발생하는 축의 회전력을 전달받아 발전하기 위한 발전기로 구성됨을 특징으로 한다.

이처럼 본 발명의 효과로는 수로의 바닥을 향해 경사지게 형성되는 유도판에 의해 물의 흐름이 유도됨으로써 수압이 높아지도록 하고, 또한 수차 날개는 물의 진행방향으로 오목하게 호형상으로 이루어지도록 함으로써 물을 흐름을 수로의 중앙으로 모아 주어 수차 날개에 큰 힘이 전달되도록 함과 동시에 수차 날개에 가해지는 물의 저항은 최소화할 수 있는 것이다.

또한 본 발명은 수차 날개의 하단 중간 또는 양측, 중간과 양측 모두에 물통과부를 형성함으로써 행여라도 수차가 멈췄을 때 물의 흐름을 차단하는 것을 방지하고, 유속을 크게 감소시키지 않음으로써 일정 간격 설치되는 각각의 소수력 발전장치에 악영향을 미치지 않도록 하여 최대한의 발전이 가능하도록 하는 매우 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명 소수력 발전장치의 분리 사시도.
도 2는 본 발명 소수력 발전장치의 결합된 상태의 사시도.
도 3은 도 2의 종단면도.
도 4는 본 발명에 있어서 수차를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 있어서 수차의 개략적인 측면도.
도 6은 본 발명에 있어서 또 다른 실시예의 수차를 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 사용상태 참고도.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의해 보다 상세히 설명하기로 한다. 이때 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기술 등은 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명 소수력 발전장치(100)의 구성은 다음과 같다.

즉 회전축(122)에 의해 회전가능하고 다수개의 날개를 구비하는 수차(120)와, 상기 수차를 베어링에 의해 지지하고 수로의 안쪽에 설치되는 본체(110)와, 상기 수차(120)의 회전에 의해 전기를 발생하는 발전기(140)로 이루어지는 소수력 발전장치(100)에 있어서, 상기 본체(110)의 하부에는 물유입구(112)와 물배출구(113)가 형성되되 회전축(122)보다 아래에 형성되도록 하고, 물유입구(112) 상단에는 아래를 향하도록 경사지게 설치된 유도판(111)이 형성되며, 수차(120)의 회전축(122)의 중간부에는 다각(多角) 형상의 날개축(123)이 형성되도록 하되 상기 날개축(123)에 판(板) 형상의 날개(121)가 부착되도록 형성된다.

이때 상기 날개축(123)은 적어도 5~10각을 이루도록 함이 바람직한데, 5각보다 적은 경우에는 설치되는 날개(121)도 6개 이하가 되어 날개(121) 간 간격이 너무 멀게 되고 이는 갈수기 때 줄어든 수량(水量)에 의해 수압이 작용하지 않게 되면 수차(120)의 원활한 회전이 곤란하게 되어 최대치의 전력을 얻은 데 있어 바람직하지 못하게 된다.

반대로 10각보다 많은 경우에는 많은 날개를 제작함에 있어 소요되는 제작비용의 상승은 물론 날개가 많아 오히려 물의 저항만 커지게 되어 이 역시 바람직하지 못하다.

또한 상기 날개축(123)의 외측 편평한 면에는 날개(121)의 일측면이 용접 또는 볼트와 같은 체결구에 의해 부착되는데 이때 부착되는 날개(121)의 각도는 물이 흐르는 순방향으로 91~140°꺾어서 형성함이 바람직하다. 다시 말해 날개축(123)의 외측 편평한 면의 수평각과 날개(121)의 각, 즉 θ가 91~140°가 되도록 함으로써 물의 흐름에 의해 날개(121)가 밀리면서 수차(120)가 보다 수월하게 회전할 수 있도록 한다. 이때 날개축(123)의 외측 편평한 면의 수평각과 날개(121)의 각이 91°보다 작은 경우에는 오히려 물의 저항을 받게 되어 수차(120)의 회전이 원활하지 않게 되며, 140°보다 큰 경우에는 너무 젖혀진 상태가 되어 수압이 제대로 작용하지 않으므로 인해 역시 수차(120)의 회전이 원활하지 않게 된다.

상기 수차(120)의 날개(121)는 호(弧) 형상을 갖는 곡면판(121a)과 상기 곡면판(121a)의 가장자리와 내측을 지탱하는 보강대(121b)로 구성된다. 상기 수차(120)의 날개(121)를 물이 흐르는 순방향으로 볼록하게 호(弧) 형상으로 돌출시키는 이유는 수로를 따라 흐르는 물이 날개(121) 내측 중앙, 즉 호(弧)의 내측으로는 흐름이 원활하게 하고, 호(弧)의 외측은 물의 저항을 최소화하기 위해 필요한 것이다.

이때 상기 날개(121)의 하단에는 물통과부(124)를 형성할 수도 있는데 상기 물통과부(124)는 수차(120)이 고장 등에 의해 정지하였을 때 물이 차단되지 않도록 하고, 또한 물이 날개(121)에 의해 유속을 많이 잃게 됨으로써 수로에 일정간격 설치되는 다른 본 발명 소수력 발전장치 등의 발전에 지장을 주는 일이 발생하지 않도록 하기 위한 것이다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명이 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.

100: 본 발명 소수력 발전장치
110: 본체 111: 유도판
120: 수차 122: 회전축
123: 날개축 124: 물통과부
140: 발전기

Claims (4)

1. 회전축(122)에 의해 회전가능하고 다수개의 날개를 구비하는 수차(120)와, 상기 수차를 베어링에 의해 지지하고 수로의 안쪽에 설치되는 본체(110)와, 상기 수차(120)의 회전에 의해 전기를 발생하는 발전기(140)로 이루어지는 소수력 발전장치(100)에 있어서,
   상기 본체(110)의 하부에는 물유입구(112)와 물배출구(113)가 형성되되 회전축(122)보다 아래에 형성되도록 하고, 물유입구(112) 상단에는 아래를 향하도록 경사지게 설치된 유도판(111)이 형성되며, 수차(120)의 회전축(122)의 중간부에는 다각 형상의 날개축(123)이 형성되도록 하되 상기 날개축(123)에 판 형상의 날개(121)가 부착되도록 형성되도록 구성됨을 특징으로 하는 수로를 이용한 소수력 발전장치.
   
2. 제 1항에 있어서 상기 날개축(123)은 5~10각을 이루도록 구성됨을 특징으로 하는 수로를 이용한 소수력 발전장치.
   
3. 제 1항에 있어서 상기 날개(121)는 날개축(123)의 외측 편평한 면에 91~140°의 각으로 부착되도록 구성됨을 특징으로 하는 수로를 이용한 소수력 발전장치.
   
4. 제 1항에 있어서 상기 수차(120)의 날개(121)는 호 형상을 갖는 곡면판(121a)과 상기 곡면판(121a)의 가장자리와 내측을 지탱하는 보강대(121b)로 구성됨을 특징으로 하는 수로를 이용한 소수력 발전장치.
   
   
   

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